Tốc độ của âm thanh là gì?

Trong bầu khí quyển của trái đất, tốc độ âm thanh nó là 343 mét mỗi giây; hoặc một km ở mức 2,91 mỗi giây hoặc một dặm ở 4,69 mỗi giây.

Tốc độ của âm thanh trong một loại khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của nó. Tốc độ có sự phụ thuộc yếu vào tần số và áp lực trong không khí thông thường, làm lệch đi một chút so với hành vi lý tưởng.

Tốc độ âm thanh là bao nhiêu?

Thông thường, tốc độ của âm thanh đề cập đến tốc độ sóng âm truyền trong không khí. Tuy nhiên, tốc độ âm thanh thay đổi tùy theo chất. Ví dụ, âm thanh di chuyển chậm hơn trong chất khí, di chuyển nhanh hơn trong chất lỏng và thậm chí nhanh hơn trong chất rắn.

Nếu tốc độ âm thanh là 343 mét mỗi giây trong không khí, điều đó có nghĩa là nó di chuyển với tốc độ 1.484 mét mỗi giây trong nước và ở khoảng 5.120 mét mỗi giây bằng sắt. Trong một vật liệu đặc biệt cứng, như kim cương chẳng hạn, âm thanh truyền đi với tốc độ 12.000 mét mỗi giây. Đây là tốc độ cao nhất mà âm thanh có thể truyền đi trong điều kiện bình thường.

Sóng âm trong chất rắn bao gồm các sóng nén - giống như trong chất khí và chất lỏng - và của một loại sóng khác gọi là sóng quay, chỉ xuất hiện trong chất rắn. Sóng quay trong chất rắn thường truyền đi ở các tốc độ khác nhau.

Tốc độ của sóng nén trong chất rắn được xác định bởi độ nén, mật độ và mô đun đàn hồi ngang của môi trường. Tốc độ của sóng quay chỉ được xác định bởi mật độ và mô đun đàn hồi ngang của mô đun.

Trong chất lỏng động, tốc độ âm thanh trong môi trường chất lỏng, khí hoặc lỏng, được sử dụng như một thước đo tương đối cho vận tốc của một vật thể di chuyển qua môi trường.

Tỷ lệ giữa tốc độ của một vật thể với tốc độ ánh sáng trong chất lỏng được gọi là Số tháng ba của một vật thể. Các vật thể di chuyển nhanh hơn ngày 1 tháng 3 được gọi là các vật thể di chuyển ở tốc độ siêu âm.

Khái niệm cơ bản

Việc truyền âm thanh có thể được minh họa bằng mô hình bao gồm một loạt các quả bóng được kết nối với nhau bằng dây.

Trong cuộc sống thực, các quả bóng đại diện cho các phân tử và các sợi đại diện cho các liên kết giữa chúng. Âm thanh đi qua mô hình nén và mở rộng các luồng, truyền năng lượng cho các quả bóng lân cận, từ đó truyền năng lượng đến các luồng của chúng, v.v..

Tốc độ của âm thanh thông qua mô hình phụ thuộc vào độ cứng của các sợi và khối lượng của các quả bóng.

Miễn là không gian giữa các quả bóng không đổi, các sợi cứng hơn truyền năng lượng nhanh hơn và các quả bóng có khối lượng lớn hơn truyền năng lượng chậm hơn. Các hiệu ứng như tán xạ và phản xạ cũng có thể được hiểu với mô hình này.

Trong bất kỳ vật liệu thực nào, độ cứng của các sợi được gọi là mô đun đàn hồi và khối lượng tương ứng với mật độ. Nếu tất cả những thứ khác bằng nhau, âm thanh sẽ truyền chậm hơn trong các vật liệu xốp và nhanh hơn trong các vật liệu cứng hơn.

Ví dụ, âm thanh truyền qua niken nhanh hơn 1,59 lần so với đồng vì độ cứng của niken lớn hơn ở cùng mật độ.

Tương tự, âm thanh di chuyển nhanh hơn 1,41 lần trong khí hydro nhẹ (protium) so với khí hydro nặng (deuterium), vì khí nặng có tính chất tương tự nhưng có mật độ gấp đôi.

Đồng thời, âm thanh "loại nén" sẽ truyền nhanh hơn trong chất rắn hơn chất lỏng và truyền nhanh hơn trong chất lỏng so với trong chất khí.

Hiệu ứng này là do thực tế là chất rắn khó nén hơn chất lỏng, trong khi chất lỏng, mặt khác, khó nén hơn chất khí..

Sóng nén và sóng quay

Trong chất khí hoặc chất lỏng, âm thanh bao gồm sóng nén. Trong chất rắn, sóng truyền qua hai loại sóng khác nhau. Một sóng dọc có liên quan đến nén và giải nén theo hướng di chuyển; đó là quá trình tương tự trong chất khí và chất lỏng, với sóng nén tương tự trong chất rắn.

Chỉ có sóng nén tồn tại trong chất khí và chất lỏng. Một loại sóng bổ sung, được gọi là sóng ngang hoặc sóng quay, chỉ xảy ra trong chất rắn vì chỉ có chất rắn mới chịu được biến dạng đàn hồi.

Điều này là do biến dạng đàn hồi của môi trường vuông góc với hướng di chuyển của sóng. Hướng quay bị biến dạng được gọi là sự phân cực của loại sóng này. Nói chung, sóng ngang xảy ra như một cặp phân cực trực giao.

Những loại sóng khác nhau có thể có tốc độ khác nhau ở cùng tần số. Do đó, họ có thể tiếp cận một người quan sát tại các thời điểm khác nhau. Một ví dụ về tình huống này xảy ra trong các trận động đất, trong đó sóng nén cấp tính đến trước và sóng ngang dao động đến sau vài giây.

Tốc độ nén của sóng trong chất lỏng được xác định bởi độ nén và mật độ của môi trường.

Trong chất rắn, sóng nén tương tự như sóng tìm thấy trong chất lỏng, tùy thuộc vào độ nén, mật độ và các yếu tố bổ sung của mô đun đàn hồi ngang.

Tốc độ của sóng quay, chỉ xảy ra trong chất rắn, chỉ được xác định bởi mô đun đàn hồi ngang và mật độ của mô đun.

Tài liệu tham khảo

1. Tốc độ của âm thanh trong các phương tiện truyền thông số lượng lớn khác nhau. Vật lý siêu Lấy từ hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. Tốc độ của âm thanh. Lấy từ mathpages.com.
3. Sổ tay chính của âm học. (2001). New York, Hoa Kỳ. Đồi McGraw. Lấy từ wikipedia.com.
4. Tốc độ của âm thanh trong nước ở nhiệt độ. Hộp công cụ kỹ thuật. Lấy từ Engineeringtoolbox.com.
5. Tốc độ của âm thanh trong không khí. Vật lý của ghi chú âm nhạc. Lấy từ phy.mtu.edu.
6. Hiệu ứng khí quyển đối với tốc độ của âm thanh. (1979). Báo cáo kỹ thuật của Trung tâm thông tin kỹ thuật quốc phòng. Lấy từ wikipedia.com.