音速

音速（Template:Langx），指声波在介质中传递的速率，定义为声波在单位时间内所行进的路径长。

历史

1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》中计算出空气中的音速为每秒979英尺(298m/s)，但这比实际速度低了约15%，主要是因为牛顿在当时认为声音的传播过程是等温过程，而不是现在所熟知的绝热过程，这一错误直至18世纪才被拉普拉斯以热质说为基础进行修正。

在17世纪，人们曾多次进行音速的测量实验，包括1630年马兰·梅森(每秒1380，约448.28m/s)、1635年皮埃尔·伽桑狄(每秒1473巴黎尺，约478.49m/s)和罗伯特·波义耳(每秒1125巴黎尺，约365.45m/s)。1巴黎尺等于325毫米，比现代所使用国际英尺(304.8毫米)更长。

1709年，英国牧师则发表了更精确的声速测量方式，他所量得数据为每秒1072巴黎英尺(约348.23m/s)。德汉从英国上使用望远镜观察远处霰弹枪开火所产生的火光，接着利用秒摆测量从开火至听到枪声的时间。他同时也测量了许多当地地标的声速数据，包括英国的一些教堂，再透过三角测量即可求得距离，进而推算出声音的速度。

基本概念

音速与传递介质的材质状况（如密度、温度、压力...）有绝对关系，而与发声者（波源）本身的速度无关，若发声者与观察者间有相对运动关系，就会产生多普勒效应；因此，超音速时的诸多物理现象（如震波、音爆、音障...）与声音无关，而是压缩波密集累积所产生的物理现象。

声音的传播速度在固体最快，其次液体，而气体中的音速最慢。通常“音速”是指在声波以空气作为介质时的行进速度，通常约为343.2米/秒（1,236公里/小时）。音速会受空气状态之影响（如湿度、温度、密度...）而有不同数值。如摄氏0度之海平面音速约为331.5米/秒，而10000米高空之音速约为295米/秒；此外，当环境温度每升高1°C时，音速就会增加0.607米/秒。

据推测，任何介质中的音速都只能小于真空中的光速的<math>1/\sqrt{3}</math>。 而凝聚态介质中的音速上限则可能取决于精细结构常数和，约等于每秒36公里。

在固体中有两种可能的声波，其中一种是与流体相同的纵波，另一种是流体没有的横波，两种不同的声波可以有不同的传播速度（例如地震波）。纵波形式的音速取决于介质的压缩率和密度，而固体中横波形式的音速取决于介质的刚度和密度。

音速的一般公式

一般来说，音速c 的大小有其公式，

<math>c = \sqrt{\frac{B}{\rho}}</math>

其中<math>B</math>是不可压缩率，<math>\rho</math>是密度。

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。1816年，Pierre-Simon Laplace修正了牛顿的声速公式，指出了声传播是一个热力学绝热过程（体系与外界没有热量传递）而不是牛顿所认为的等温过程（体系温度保持恒定）。对于一般的状态方程式，在经典力学适用范围内，音速c 可表示成

<math>c=\sqrt{\frac{\partial p}{\partial\rho}}</math>

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，

<math>c = \sqrt{\gamma RT}</math>

式中:

<math>\gamma </math>为定压比热与定容比热之比，双原子气体（包括空气）<math>\gamma </math>=1.4

R为气体常数,空气为287J/(kg·K)

T为绝对温度(K)

如果相对论的效应明显的话，音速可由计算。

声速在干燥空气中传播时受到环境温度的影响，音速与气温的经验公式可表示为：

<math>c = 331.6 + 0.6T</math>

其中<math>T</math>为摄氏温度，331.6 m/s是声波在空气中温度为0摄氏度时的传播速度。

相关项目

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