Qual è la velocità del suono?

La maggior parte delle persone capisce cosa sia il suono. È associato all'udito ed è associato a processi fisiologici e psicologici. Il cervello elabora le sensazioni che provengono dagli organi dell'udito. La velocità del suono dipende da molti fattori.

Suoni distinti dalle persone

Nel senso generale del termine, il suono è un fenomeno fisico che causa un effetto sugli organi dell'udito. Ha la forma di onde longitudinali di varie frequenze. Le persone possono sentire il suono, la cui frequenza va da 16-20000 Hz. Queste onde longitudinali elastiche, che si diffondono non solo nell'aria, ma anche in altri ambienti, raggiungendo l'orecchio umano, causano sensazioni sonore. Le persone non possono sentire tutto. Le onde elastiche con una frequenza inferiore a 16 Hz sono chiamate infrasuoni e oltre i 20.000 Hz sono chiamate ultrasuoni. Il loro orecchio umano non può sentire.

Caratteristiche del suono

Ci sono due caratteristiche principali del suono: volume e altezza. Il primo è legato all'intensità dell'elastico onda sonora. C'è un altro indicatore importante. La quantità fisica, che caratterizza l'altezza, è frequenza di oscillazione onda elastica. In questo caso, si applica una regola: più è, più alto è il suono e viceversa. Un'altra caratteristica importante è la velocità del suono. In diversi ambienti, è diverso. Rappresenta la velocità di propagazione delle onde sonore elastiche. Nell'ambiente gassoso, questo indicatore sarà inferiore rispetto ai liquidi. La velocità del suono nei solidi è la più alta. Inoltre, per le onde longitudinali, è sempre maggiore rispetto a quelle trasversali.

La velocità di propagazione delle onde sonore

Questo indicatore dipende dalla densità del mezzo e dalla sua elasticità. Nei media a gas, è influenzato dalla temperatura della sostanza Di regola, la velocità del suono non dipende dall'ampiezza e dalla frequenza dell'onda. In rari casi, quando queste caratteristiche hanno un impatto, parlano della cosiddetta dispersione. La velocità del suono in coppia o gas varia tra 150-1000 m / s. Nei mezzi liquidi, è già 750-2000 m / s, e nei materiali solidi - 2000-6500 m / s. In condizioni normali, la velocità del suono nell'aria raggiunge 331 m / s. In acqua normale - 1500 m / s.

La velocità delle onde sonore in diversi ambienti chimici

La velocità del suono in diversi ambienti chimici non è la stessa. Quindi, in azoto è 334 m / s, in aria - 331, in acetilene - 327, in ammoniaca - 415, in idrogeno - 1284, in metano - 430, in ossigeno - 316, in elio - 965, in monossido di carbonio - 338, in anidride carbonica - 259, in cloro - 206 m / s. La velocità di un'onda sonora in mezzi gassosi aumenta all'aumentare della temperatura (T) e della pressione. Nei liquidi, il più delle volte diminuisce con l'aumentare di T di diversi metri al secondo. La velocità del suono (m / s) nel mezzo liquido (a una temperatura di 20 ° C):

• acqua - 1490;

• alcool etilico - 1180;

• benzene - 1324;

• mercurio - 1453;

• tetracloruro di carbonio - 920;

• glicerina - 1923.

Di questa regola, l'unica eccezione è l'acqua, in cui la velocità del suono aumenta all'aumentare della temperatura. Raggiunge il massimo quando questo liquido viene riscaldato a 74 ° C. Con un ulteriore aumento della temperatura, la velocità del suono diminuisce. Con l'aumentare della pressione, aumenterà dello 0,01% / 1 atm. In acqua di mare salata con l'aumentare della temperatura, profondità e salinità aumenterà la velocità del suono. In altri ambienti, questa cifra varia in modi diversi. Quindi, in una miscela di liquido e gas, la velocità del suono dipende dalla concentrazione dei suoi componenti. In un solido isotopico, è determinato dalla sua densità e dai suoi moduli elastici. In mezzi densi illimitati, si propagano le onde elastiche trasversali (a taglio) e longitudinali. Velocità del suono (m / s) nei solidi (onda longitudinale / trasversale):

• vetro - 3460-4800 / 2380-2560;

• quarzo fuso - 5970/3762;

• calcestruzzo - 4200-5300 / 1100-1121;

• zinco - 4170-4200 / 2440;

• Teflon - 1340 / *;

• ferro - 5835-5950 / *;

• oro - 3200-3240 / 1200;

• alluminio - 6320/3190;

• argento - 3660-3700 / 1600-1690;

• ottone - 4600/2080;

• Nickel - 5630/2960.

Nei ferromagneti, la velocità di un'onda sonora dipende dalla magnitudine forza del campo magnetico. Nei singoli cristalli, la velocità di un'onda sonora (m / s) dipende dalla direzione della sua propagazione:

• rubino (onda longitudinale) - 11240;
• cadmio solfuro (longitudinale / trasversale) - 3580/4500;
• niobato di litio (longitudinale) - 7330.

La velocità del suono nel vuoto è 0, poiché in un tale ambiente non si diffonde semplicemente.

Determinare la velocità del suono

Tutto ciò che è collegato a segnali sonori ha interessato i nostri antenati migliaia di anni fa. Quasi tutti gli eminenti scienziati del mondo antico lavorarono sulla definizione dell'essenza di questo fenomeno. Persino i matematici antichi hanno stabilito che il suono è causato da movimenti oscillanti del corpo. Euclide e Tolomeo scrissero su questo. Aristotele stabilì che la velocità del suono è finita. I primi tentativi di determinare questo indicatore furono intrapresi da F. Bacon nel 17 ° secolo. Cercò di stabilire la velocità confrontando gli intervalli di tempo tra il suono di uno sparo e un lampo di luce. Sulla base di questo metodo, un gruppo di fisici dell'Accademia delle Scienze di Parigi ha determinato per la prima volta la velocità di un'onda sonora. In varie condizioni sperimentali, era 350-390 m / s. La teoria teorica della velocità del suono per la prima volta nei loro "Principi" è stata considerata da I. Newton. Per rendere la definizione corretta di questo indicatore si è rivelato in PS Laplace.

Formule di velocità del suono

Per i fluidi gassosi e liquidi, in cui il suono si propaga, di regola, in maniera adiabatica, il cambiamento di temperatura associato allo stiramento e alla compressione nell'onda longitudinale non può essere livellato rapidamente in un breve periodo di tempo. Ovviamente, diversi fattori influenzano questo indicatore. La velocità di un'onda sonora in un mezzo gassoso omogeneo o liquido è determinata dalla seguente formula:

c ² = 1 / βρ,

dove β è la compressibilità adiabatica, ρ è la densità del mezzo.

Nelle derivate private, questo valore viene calcolato in base alla seguente formula:

c ² = -υ ² (δρ / δυ) _S = -υ ² Cp / Cυ (δρ / δυ) _T ,

dove ρ, T, υ è la pressione del mezzo, la sua temperatura e il volume specifico; S è l'entropia; Cp - capacità termica isobarica; Cυ - capacità di calore isocora. Per i media gassosi, questa formula sarà simile a questa:

c ² = ζkT / m = ζRt / M = ζR (t + 273.15) / M = ² T,

dove ζ è il valore adiabatico: 4/3 per i gas poliatomici, 5/3 per i monomeri, 7/5 per i gas biatomici (aria); R è la costante del gas (universale); T è la temperatura assoluta, misurata in kelvin; k è la costante di Boltzmann; t è la temperatura in ° C; M è la massa molare; m è il peso molecolare; ά ² = ζR / M.

Determinazione della velocità del suono in un solido

In un corpo solido con omogeneità, ci sono due tipi di onde che differiscono nella polarizzazione delle oscillazioni rispetto alla direzione della loro propagazione: trasversale (S) e longitudinale (P). La velocità del primo (C _S ) sarà sempre inferiore alla seconda (C _P ):

C _P ² = (K + 4 / 3G) / ρ = E (1 - v) / (1 + v) (1-2v) ρ;

C _s ² = G / ρ = E / 2 (1 + v) ρ,

dove K, E, G - moduli di compressione, Young, shift; v - Il rapporto di Poisson. Durante il calcolo della velocità del suono in un solido, vengono utilizzati i moduli elastici adiabatici.

La velocità del suono in ambienti multifase

Negli ambienti multifase dovuti all'assorbimento di energia anelastica, la velocità del suono dipende direttamente dalla frequenza di oscillazione. In un mezzo poroso a due fasi, viene calcolato in base alle equazioni di Bio-Nikolaev.

conclusione

La misurazione della velocità di un'onda sonora viene utilizzata per determinare le varie proprietà delle sostanze, come i moduli elastici di un solido, la compressibilità di liquidi e gas. Un metodo sensibile per determinare le impurità è misurare piccoli cambiamenti nella velocità di un'onda sonora. Nei solidi, la fluttuazione di questo indicatore ci consente di studiare la struttura a bande dei semiconduttori. La velocità del suono è una quantità molto importante, la cui misurazione consente di imparare molto su un'ampia varietà di ambienti, corpi e altri oggetti di ricerca scientifica. Senza la capacità di definirlo, molte scoperte scientifiche sarebbero state impossibili.