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音速(velocity of sound,sonic speed)也叫声速,声速是介质中微弱压强扰动的传播速度,其大小因媒质的性质和状态而异。空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒。 (约1200公里/小时)

简介

声音的传播

声音的传播

音速也叫声速,指声波在媒质(介质)中传播的速度。其大小因媒质的性质和状态而异。声速顾名思义即是声音的速度,唯声音系以波的形式传播,与一般所理解物体的速度是不同的,所以与其将音速称为声音的速度,倒不如将音速视为波传递速度的指标,音速与传递介质的材质状况有绝对关系,而与发声者本身的速度无关,而发声者与听者间若有相对运动关系,就形成了多普勒效应;也由此观点,穿/超音速时的诸多物理现象,其实与声音无关,而是压缩波密集累积所产生的物理现象。

声音产生

一般说来,音速与介质的性质和状态有关。在压缩性小的介质中音速大于在压缩性大的介质中的音速。介质状态不同,音速也不同。音速的数值在固体中比在液体中大,在液体中又比在气体中大。音速的大小还随大气温度的变化而变化,在对流层中,高度升高时,气温下降,音速减小。在平流层下部,气温不随高度而变,音速也不变,为295.2米/秒。空气流动的规律和飞机的空气动力特性,在飞行速度小于音速和大于音速的情况下,具有质的差别,因此,研究航空器在大气中的运动,音速是一个非常重要的基准值。
音速不是一个固定的值。 在干燥空气中,音速的经验公式是:
音速 u=331.3+(0.606c)m/s (c=摄氏气温)
常温下(15℃),音速为 u=331.3+(0.606x15)= 340.4m/s,这就是为什么都说音速是 340m/s (1225km/h)的缘故.。潮湿空气的音速略有增加,但是幅度不到0.5%,大多数场合可以忽略不计。对于华氏气温,可以用公式换算: F=9C/5+32 (C=摄氏气温)。
国际标准大气ISA规定: 在对流层中(0~11000m),海平面的气温为 15℃,气压 101325Pa,空气密度1.226kg/?,海拔每升高1000m,气温下降 6.5℃。
利用上面的公式计算不同海拔的气温,再综合前面的音速经验公式,就可以推算不同海拔的音速了。
在11000~20000m的高空(属平流层,气温基本没有变化,所以又叫"同温层"),温度下降到零下57℃(15-11x6.5= -56.5℃),这里的音速是 u= 331.3+[0.606x(-57)]= 296.7m/s (约1068km/h)。喷气式飞机都喜欢在 1万米左右的高空巡航,因为这里是平流层的底部,可以避开对流层因对流活动而产生的气流。在11000~20000m的 同温层内,音速的标准值是1062km/h,而且基本稳定
喷气式飞机都用马赫数Ma来表示速度,而不用对地速度。这是因为物体在空气中飞行时,前端会压缩空气形成波动,这个波动是以音速传播的(因为声波也是波动的一种)。如果物体的飞行速度超过音速,那么这些波动无法从前端传播,而在物体前端堆积,压力增大,最终形成激波。激波是超音速飞行的主要阻力源。
物体飞行速度一旦超过音速,必然产生激波。激波会极大地增加飞行阻力,影响到整个飞行状态以及燃料的消耗。在不同的空气环境中,尽管飞行器的 Ma数相同,但他们的对地速度是不相等的; 不过,他们受到的阻力却大致相当。所以,飞行器都是用当地的音速,来衡量当前速度的。

声速的一般公式

一般来说,声速 c 通常与与介质的不可压缩率与密度有关,利用连续介质力学经典力学,可导出下面的公式:
其中 B是不可压缩率, ρ密度
因此音速随着介质的不可压缩率增加而变快,随着介质的密度增加而变慢。对于一般的状态方程,在经典力学适用范围内,声速 c 可表示成
此处偏微分针对绝热变化。
对于远离液态工作点的理想气体,
式中: K为定压比热与定容比热之比,双原子气体(包括空气) K=1.4, R为气体常数,空气为0.287KJ/(Kg·k) T为绝对温度(K)。

例子

铜钹

铜钹

音叉为例,我们敲打音叉之后,音叉产生振动,振动中的音叉会来回推撞周围的空气,使得空气的压力时高时低,而使得空气分子产生密部和疏部的变化,并藉由分子间的碰撞运动向外扩散出去,音叉的声波也就向外传出了。声波在传递时,空气分子的振动方向和波的传递方向是相同的,我们把这种波叫做“纵波”。
音叉

音叉

像空气这种可以传递声波的物质,我们把它们叫做“介质”。声波一定要有介质才能传递出去,如果真空状态,声波没有了传播的媒质,就无法听到声音了
除了空气可以传递声音之外,液体(像水)、固体(像木材、玻璃、钢铁)等等,也都是声音的介质,而且因为液体、固体的分子排列得较紧密,因此传递声音的速度都比空气来得快。声音在水中的传播速度大约是在空气中的五倍,在钢中则比空气中快上将近二十倍。
日常生活中,声音大都藉由空气传播,历史上第一次测出空气中的声速,是在公元1708年的时候。当时一位英国人德罕姆站在一座教堂的顶楼,注视着十九公里外正在发射的大炮,他计算大炮发出闪光后到听见轰隆声之间的时间,经过多次测量后取平均值,得到与相当接近的声速数据在20℃时,每秒可跑343米。

影响因素

音速

音速

声源发出的声波以一定的速度向周围传播,意味着声波的能量也以一定的速度向周围传播。声波能够在所有物质(除了真空以外)中传播。其传播速度由传声介质的某些物理性质,主要是力学性质所决定。例如,音速与介质的密度和弹性性质有关,因此也随介质的温度压强等状态参量而改变。气体中音速每秒约数百米,随温度升高而增大,0℃时空气中音速为331.4米/秒,15℃时为340米/秒,温度每升高1℃,音速约增加0.6米/秒。通常,固体介质中音速最大,液体介质中的音速较小,气体介质中的音速最小。另外,不均匀介质中的音速处处不等。各向异性介质中的音速随传播方向而异。
0~80,000m声速分布参考

0~80,000m声速分布参考

在有些情况下音速还与声波本身的振幅、频率、振动方式(纵波声速、横波声速等)有关。如果传播介质的尺寸不够大,则其边界对音速也有影响。因此为了使音速的量值确切地表征传声介质的声学特征,不受其几何形状的影响,一般须规定传声介质的尺寸足够大(理论上为无限大)情况下的声波传播速度。有时为了实用上的方便,也列出某些特殊情况下的音速,如固体细棒中的音速。
如果因为大气中温度和风速的分布不均匀,而使合成声速随高度递减。
非线性的0~80,000米内的图 以供参考

介质声速

真空0m/s(也就是不能传播)
空气(0℃)330m/s
空气 340.4m/s
空气(25℃)345.2m/s
软木500m/s
煤油(25℃)1324m/s
蒸馏水(25℃)1497m/s
海水(25℃)1531m/s
(棒)3750m/s
大理石 3810m/s
铝(棒)5000m/s
铁(棒)5200m/s
水 (常温)1500m/s
冰3230m/s

音速飞碟

据台湾“联合新闻网”2012年10月9日报道,美国军方于上世纪50年代曾尝试打造速度高达3马赫(音速3倍)的飞碟,当时原型机预定造价超过300万美元,但此计划在1960年被叫停。
报道称,美国国家档案局上月公布的一份1956年档案让这一军事计划曝光。这项“1794计划”(Project 1794)预定要建造全方位强力飞碟,速度在3马赫至4马赫间,飞行高度超过10万英尺,航程最大可达1000海里。
据悉,“1794计划”标榜新型飞碟速度可高达每小时2600英里,能垂直起降,由喷射推进器控制。以此速度计算,搭乘这种飞碟从纽约到迈阿密只需花24分钟。
1956年的档案指出,工程师当时已着手进行原型机设计,“目前的设计比刚展开合约谈判时所预估的性能更为优秀。”但报道指出,那纯粹只是科学性乐观,事实上,那项计划于1960年被叫停。打造原型机价格预估达316.8万美元,相当于今天的2660万美元。而计划打造的新飞碟只能竭力达到离地5英尺多,因而美方军方决定结束此计划。
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- 来自原声例句
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