Vad är ljudets hastighet?

I jordens atmosfär, den ljudhastighet det är 343 meter per sekund; eller en kilometer vid 2,91 per sekund eller en mil vid 4,69 per sekund.

Ljudets hastighet i en idealisk gas beror endast på dess temperatur och sammansättning. Hastigheten har ett svagt beroende av frekvensen och trycket i vanlig luft, avviker lite från det ideala beteendet.

Vad är ljudets hastighet?

Vanligtvis hänvisar ljudets hastighet till den hastighet vid vilken ljudvågor reser genom luften. Hastigheten av ljud varierar dock beroende på ämnet. Ljudet går till exempel långsammare i gaser, färdas snabbare i vätskor, och ännu snabbare i fasta ämnen.

Om ljudets hastighet är 343 meter per sekund i luften, betyder det att den färdas vid 1 484 meter per sekund i vatten och på ca 5 120 meter per sekund i järn. I ett exceptionellt hårt material, som exempelvis diamant, färdas ljudet vid 12 000 meter per sekund. Detta är den högsta hastigheten där ljudet kan resa under normala förhållanden.

Ljudvågor i fastämnen är sammansatta av kompressionsvågor, som i gaser och vätskor, och av en annan typ av våg som kallas rotationsvågor, som endast finns i fasta ämnen. Rotationsvågor i fasta ämnen rinner vanligtvis vid olika hastigheter.

Kompressionsvågornas hastighet i fastämnena bestäms av mediet av kompressibilitet, densitet och tvärgående modul. Rotationsvågornas hastighet bestäms endast av densiteten och modulen för modulens tvärgående elasticitet.

I dynamisk vätska används ljudets hastighet i ett fluidmedium, antingen gas eller vätska, som ett relativt mått på hastigheten hos ett föremål som rör sig genom mediet.

Förhållandet mellan ett objekts hastighet och ljusets hastighet i en vätska kallas marsnummeret av ett objekt. Objekt som rör sig snabbare än den 1 mars kallas föremål som reser med supersoniska hastigheter.

Grundläggande begrepp

Överföringen av ljud kan illustreras med hjälp av en modell som består av en serie bollar som är förbundna med trådar.

I det verkliga livet representerar kulorna molekylerna och trådarna representerar länkarna mellan dem. Ljudet passerar genom modellen komprimerar och expanderar trådarna, sänder energi till närliggande bollar, som i sin tur överför energin till sina trådar och så vidare..

Ljudets hastighet genom modellen beror på trådarnas styvhet och bollarnas massa.

Så länge som mellanrummet mellan bollarna är konstant, överför de styvare tråden energi snabbare och bollar med mer massa överför energi långsammare. Effekter som spridning och reflektion kan också förstås med denna modell.

I vilket som helst verkligt material kallas trådens styvhet den elastiska modulen och massan motsvarar densiteten. Om alla andra saker är lika, kommer ljudet att gå långsammare i svampiga material och snabbare i styvare material.

Ljudet färdas till exempel 1,59 gånger snabbare genom nickel än brons, eftersom nickelns styvhet är större vid samma densitet.

På samma sätt går ljudet 1,41 gånger snabbare i en lätt vätegas (protium) än i en vätegas (deuterium), eftersom tung gas har liknande egenskaper men har dubbelt densiteten.

Samtidigt kommer ljudet av "kompressionstyp" att resa snabbare i fasta ämnen än vätskor och resa snabbare i vätskor än i gaser.

Denna effekt beror på det faktum att fasta ämnen har svårare att komprimera än vätskor, medan vätskor å andra sidan är svårare att komprimera än gaser..

Kompressionsvågor och rotationsvågor

I en gas eller en vätska består ljudet av kompressionsvågor. I fasta ämnen sprids vågor genom två olika typer av vågor. En longitudinell våg är förknippad med kompression och dekompression i färdriktningen; det är samma process i gaser och vätskor, med en analog tryckvåg i fasta ämnen.

Endast kompressionsvågor finns i gaser och vätskor. En ytterligare typ av våg, kallad tvärvåg eller rotationsvåg, uppträder endast i fasta substanser eftersom endast fasta ämnen kan klara elastiska deformationer.

Detta beror på att den elastiska deformationen av mediet är vinkelrätt mot vågens färdriktning. Riktningen för den deformerade rotationen kallas polarisationen av denna typ av våg. Generellt förekommer tvärgående vågor som ett par ortogonala polarisationer.

Dessa olika typer av vågor kan ha olika hastigheter vid samma frekvens. Därför kan de nå en observatör vid olika tider. Ett exempel på denna situation uppträder vid jordbävningar, där de akuta kompressionsvågorna anländer först och de oscillerande tvärvågorna anländer sekunder senare.

Kompressionshastigheten för vågor i en fluid bestäms av komprimerbarheten och densiteten hos mediet.

I fastämnen är kompressionsvågor analoga med de som finns i fluider beroende på kompressibiliteten, densiteten och ytterligare faktorer hos den elastiska tvärmodulen.

Rotationsvågornas hastighet, som endast uppträder i fasta ämnen, bestäms endast av modulen för tvärgående elasticitet och modulens densitet.

referenser

1. Ljudhastighet i olika massmedier. Hyperfysik Hämtat från hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. Hastigheten av ljudet. Hämtad från mathpages.com.
3. Mästarens handbok för akustik. (2001). New York, USA. McGraw-Hill. Hämtad från wikipedia.com.
4. Ljudhastighet i vatten vid temperaturer. Engineering Toolbox. Hämtad från engineeringtoolbox.com.
5. Hastighet i ljudet i luften. Fysik av musiknoter. Hämtad från phy.mtu.edu.
6. Atmosfäriska effekter på ljudets hastighet. (1979). Teknisk rapport från Försvarets tekniska informationscenter. Hämtad från wikipedia.com.