В статье рассмотрены характеристика звуковых явлений в атмосфере: скорость распространения звука в воздухе, влияние на распространение звука ветра, тумана.
Продольные колебания частиц материи, распространяясь по материальной среде (по воздуху, воде и твердым телам) и достигнув уха человека, вызывают ощущения, называемые звуком.
В атмосферном воздухе всегда находятся звуковые волны различной частоты и силы. Часть этих волн создается искусственно человеком, а часть звуков имеет метеорологическое происхождение.
К звукам метеорологического происхождения относятся гром, завывание ветра, гудение проводов, шум и шелест деревьев, «голос» моря, звуки при падении на земную поверхность твердых и жидких осадков, звуки прибоя у берегов морей и озер и другие.
На скорость распространения звука в атмосфере влияет температура и влажность воздуха, а также ветер (направление и его сила). В среднем скорость звука в атмосфере равна 333 м/с. С увеличением температуры воздуха скорость звука несколько возрастает. Изменение абсолютной влажности воздуха оказывает меньшее влияние на скорость звука.
Скорость звука в воздухе определяется формулой Лапласа:
(1),
где р - давление; ? - плотность воздуха; c? - теплоемкость воздуха при постоянном давлении; cp - теплоемкость воздуха при постоянном объеме.
Используя уравнение состояния газа, можно получить ряд зависимостей скорости звука от метеорологических параметров.
Скорость звука в сухом воздухе определяется по формуле:
с0 = 20,1 ?Т м/с, (2)
а во влажном воздухе:
с0 = 20,1 ?ТВ м/с, (3)
где ТВ = так называемая акустическая виртуальная температура, которая определяется по формуле ТВ = Т (1+ 0,275 е/р).
При изменении температуры воздуха на 1° скорость звука изменяется на 0,61 м/с. Скорость звука зависит от величины отношения е/р (отношение влажности к давлению), но эта зависимость мала, и, например, при упругости водяного пара менее 7мм пренебрежение ею дает ошибку в скорости звука, не превышающую 0,5 м/сек.
При нормальном давлении и Т = 0 °С скорость звука в сухом воздухе равна 333 м/сек. Во влажном воздухе скорость звука может быть определена по формуле:
с = 333 + 0,6t + 0,07е (4)
В диапазоне температур (t) от -20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек. Из приведенных формул видно, что скорость звука повышается с повышением температуры и влажности воздуха.
Ветер оказывает сильное влияние: скорость звука по направлению движения ветра увеличивается, против ветра — уменьшается. Наличие ветра в атмосфере вызывает дрейф звуковой волны, что создает впечатление смещения источника звука. Скорость звука в этом случае (c1) определится выражением:
c1 = c + U cos ?, (1)
где U-скорость ветра; ? — угол между направлением ветра в точке наблюдения и наблюдаемым направлением прихода звука.
Знание величины скорости распространения звука в атмосфере имеет большое значение при решении ряда задач по изучению верхних слоев атмосферы акустическим методом. Пользуясь средней скоростью звука в атмосфере, можно узнать расстояние от своего местонахождения до места возникновения грома. Для этого нужно определить число секунд между видимой вспышкой молнии и моментом прихода звука грома. Затем надо умножить среднее значение скорости звука в атмосфере — 333 м/сек. на полученное число секунд.
Сегодня многие новоселы, обустраивая квартиру, вынуждены проводить дополнительные работы, в том числе по звукоизоляции своего жилища, т.к. применяемые стандартные материалы позволяют лишь отчасти скрыть, что творится в собственном доме, и не интересоваться против воли общением соседей.
На в твердых телах влияет как минимум плотность и упругость вещества, противостоящего волне. Поэтому при оборудовании помещений слой, прилегающий к несущей стене, делают звукоизолирующим с «напусками» сверху и снизу. Он позволяет снизить в децибелах иногда более чем в 10 раз. Затем укладывают базальтовые маты, а сверху - гипсокартонные листы, которые отражают звук вовне от квартиры. Когда звуковая волна «подлетает» к такой конструкции, то она затухает в слоях изолятора, которые являются пористыми и мягкими. Если звук имеет большую силу, то материалы, его поглощающие, могут даже нагреваться.
Упругие же вещества, такие, как вода, дерево, металлы, хорошо передают поэтому мы слышим прекрасное «пение» музыкальных инструментов. А некоторые народности в прошлом определяли приближение, например, всадников, прикладывая ухо к земле, которая также является достаточно упругой.
Скорость звука в км зависит от характеристик той среды, в которой он распространяется. В частности, на процесс могут повлиять ее давление, химический состав, температура, упругость, плотность и другие параметры. Например, в стальном листе звуковая волна проходит со скоростью 5100 метров в секунду, в стекле - около 5000 м/с, в дереве и граните - около 4000 м/с. Для перевода скорости в километры в час нужно умножить показатели на 3600 (секунд в часе) и разделить на 1000 (метров в километре).
Скорость звука в км в водной среде различна для веществ с разной соленостью. Для пресной воды при температуре 10 градусов Цельсия она составляет около 1450 м/с, а при температуре в 20 градусов Цельсия и том же давлении - уже около 1490 м/с.
Соленая же среда отличается заведомо большей скоростью прохождения звуковых колебаний.
Распространение звука в воздухе также зависит от температуры. При значении этого параметра, равном 20 звуковые волны проходят со скоростью около 340 м/с, что составляет около 1200 км/час. А при нуле градусов скорость замедляется до 332 м/с. Возвращаясь к нашим изоляторам для квартиры, мы можем узнать, что в таком материале, как пробка, которую часто используют для снижения уровня внешнего шума, скорость звука в км составляет всего 1800 км/ч (500 метров в секунду). Это в десять раз ниже этой характеристики в стальных деталях.
Звуковая волна представляет собой продольное колебание среды, в которой она распространяется. При прохождении, например, мелодии музыкального произведения через какое-то препятствие, уровень его громкости понижается, т.к. изменяется При этом частота остается той же, благодаря чему мы слышим женский голос как женский, а мужской - как мужской. Самым интересным является место, где скорость звука в км близка к нулю. Это - вакуум, в котором волны такого типа почти не распространяются. Чтобы продемонстрировать, как это работает, физики помещают звенящий будильник под колпак, из которого выкачивают воздух. Чем больше разреженность воздуха, тем тише слышен звонок.
Первые попытки понять природу возникновения звука были сделаны более двух тысяч лет назад. В трудах древнегреческих ученых Птолемея и Аристотеля делаются верные предположения о том, что звук порождается колебаниями тела. Более того, Аристотель утверждал, что скорость звука является измеримой и конечной величиной. Конечно, в Древней Греции не было технических возможностей для сколько-нибудь точных измерений, поэтому скорость звука была относительно точно измерена лишь в семнадцатом веке. Для этого использовался метод сравнения между временем обнаружения вспышки от выстрела и временем, через которое до наблюдателя долетал звук. В результате многочисленных экспериментов ученые пришли к выводу, что звук распространяется в воздухе со скоростью от 350 до 400 метров в секунду.
Исследователи также выяснили, что значение скорости распространения звуковых волн в той или иной среде напрямую зависит от плотности и температуры этой среды. Так, чем разреженнее воздух, тем медленнее по нему перемещается звук. Кроме того, скорость звука тем выше, чем выше температура среды. На сегодняшний день принято считать, что скорость распространения звуковых волн в воздухе при нормальных условиях (на уровне моря при температуре 0ºС) равняется 331 метру в секунду.
Число Маха
В реальной жизни скорость звука является значимым параметром в авиации, однако на тех высотах, где обычно , характеристики окружающей среды сильно отличаются от нормальных. Именно поэтому в авиации используется универсальное понятие, которое называется число Маха, названное в честь австрийского Эрнста Маха. Это число представляет собой скорость объекта, поделенную на местную скорость звука. Очевидно, что чем меньше скорость звука в среде с конкретными параметрами, тем больше будет число Маха, даже если скорость самого объекта не изменится.
Практическое применение этого числа связано с тем, что движение на скорости, которая выше скорости звука, существенно отличается от перемещения на дозвуковых скоростях. В основном, это связано с изменением аэродинамики самолета, ухудшением его управляемости, нагревом корпуса, а также с сопротивлением волн. Данные эффекты наблюдаются лишь тогда, когда число Маха превышает единицу, то есть, объект преодолевает звуковой барьер. На данный момент существуют формулы, которые позволяют вычислить скорость звука при тех или иных параметрах воздуха, а, следовательно, рассчитать число Маха для разных условий.
Видео по теме
Источники:
- Частота колебаний камертона 440 Гц
Звучать могут различные физические объекты, находящиеся в твердом, жидком или газообразном состоянии. Например, вибрирующая струна или выдуваемая из дудочки струя воздуха.
Звук - это волновые колебания среды, воспринимаемые человеческим ухом. Источниками являются различные физические тела. Вибрация источника возбуждает колебания в окружающей среде, которые распространяются в пространстве. Звуковые волны занимают частотный диапазон от 20 Гц до 20кГц, между инфразвуком и ультразвуком.
Механические колебания возникают только там, где есть упругая , поэтому в вакууме звук распространяться не может. Скорость звука - это скорость прохождения звуковой волны по , окружающей источник звука.
Сквозь газообразную среду, жидкости и в твердые тела звук проходит с разной скоростью. В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. В твердых телах скорость звука выше, чем в . Для каждого вещества скорость распространения звука постоянна. Т.е. скорость звука зависит от плотности и упругости среды, а не от частоты звуковой волны и ее амплитуды.
Звуковая может огибать встреченное препятствие. Это называется дифракцией. У низких звуков дифракция лучше, чем у высоких. Здесь
СКОРОСТЬ ЗВУКА - скорость распространения в среде упругой волны. Определяется упругостью и плотностью среды. Для , бегущей без изменения формы со скоростью с в направлении оси х , звуковое давление р можно представить в виде р = р(х - - ct) , где t - время. Для плоской гармония, волны в среде без дисперсии и С. з. выражается через частоту w и k ф-лой с = w/k. Со скоростью с распространяется фаза гармонич. волны, поэтому с наз. также фазовой С. з. В средах, в к-рых форма произвольной волны меняется при распространении, гармонич. волны тем не менее сохраняют свою форму, но фазовая скорость оказывается различной для разных частот, т. е. имеет место дисперсия звука .В этих случаях пользуются также понятием групповой скорости . При больших амплитудах появляются нелинейные эффекты (см. Нелинейная акустика ),приводящие к изменению любых волн, в т. ч. и гармонических: скорость распространения каждой точки профиля волны зависит от величины давления в этой точке, возрастая с ростом давления, что и приводит к искажению формы волны.
Скорость звука в газах и жидкостях
. В газах и жидкостях звук
распространяется в виде объёмных волн сжатия - разряжения. Если процесс
распространения происходит адиабатически (что, как правило, и имеет место),
т. е. изменение темп-ры в звуковой волне не успевает выравниваться и за
1 / 2
, периода тепло из нагретых (сжатых) участков
не успевает перейти к холодным (разреженным), то С. з. равна
, где Р
- давление в веществе,
- его плотность, а индекс s
показывает, что производная берётся
при постоянной энтропии. Эта С. з. наз. адиабатической. Выражение для С.
з. может быть записано также в одной из следующих форм:
где К
ад - адиабатич. модуль всестороннего сжатия вещества,
- адиабатич. сжимаемость,
- изотермич. сжимаемость,
= - отношение
теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.
В ограниченных твёрдых телах кроме продольных и поперечных волн имеются
и др. типы волн. Так, вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль
границы его с др. средой распространяются поверхностные акустические
волны
, скорость к-рых меньше скорости объёмных волн, характерных для
данного материала. Для пластин, стержней и др. твёрдых акустич. волноводов
характерны нормальные волны
,скорость к-рых определяется не только
свойствами вещества, но и геометрией тела. Так, напр., С. з. для продольной
волны в стержне с ст, поперечные размеры к-рого много меньше
длины волны звука, отличается от С. з. в неограниченной среде с l
(табл. 3):
Методы измерения С.з. можно подразделить на резонансные, интерферометрические, импульсные и оптические (см. Дифракция света на ультразвуке ).Наиб. точности измерения достигают с помощью импульсно-фазовых методов. Оптич. методы дают возможность измерять С. з. на гиперзвуковых частотах (вплоть до 10 11 -10 12 Гц). Точность абс. измерений С. з. на лучшей аппаратуре ок. 10 -3 % , тогда как точность относит. измерений порядка 10 -5 % (напр., при изучении зависимости с от темп-ры или магн. поля пли от концентрации примесей или дефектов).
Измерения С. з. используются для определения мн. свойств вещества, таких, как величина отношения теплоёмкостей для газов, сжимаемости газов и жидкостей, модулей упругости твёрдых тел, дебаевской темп-ры и др. (см. Молекулярная акустика) . Определение малых изменений С. з. является чувствит. методом фиксирования примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение С. з. и её зависимости от разл. факторов (темп-ры, магн. поля и др.) позволяет исследовать строение вещества: зонную структуру полупроводников, строение поверхности Ферми в металлах и пр.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Теория упругости, 4 изд., М., 1987; их же, Гидродинамика, 4 изд., М., 1988; Бергман Л., и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Таблицы для расчета скорости звука в морской воде, Л., 1965; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 4; т. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 7; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, 2 изд., М., 1982; Т р у э л л Р., Э л ь б а у м Ч., Ч и к Б., Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972; Акустические кристаллы, под ред. М. П. Шаскольской, М., 1982; Красильни ков В. А., Крылов В. В., Введение в физическую акустику, М., 1984. А. Л. Полякова .