Muchos, incluso años después de graduarse de la escuela, siguen sin saber cuál es la velocidad real del sonido en el aire. Algunos no escucharon atentamente al maestro, mientras que otros simplemente no entendieron completamente el material que se les presentaba. Bueno, tal vez sea hora de llenar este vacío de conocimiento. Hoy no nos limitaremos a indicar números "secos", sino que explicaremos el mecanismo mismo que determina la velocidad del sonido en el aire.

Como sabes, el aire es un conjunto de varios gases. Un poco más del 78% es nitrógeno, casi el 21% es oxígeno, el resto es dióxido de carbono y por tanto hablaremos de la velocidad de propagación del sonido en un ambiente gaseoso.

Primero vamos a definirlo, seguro que muchos han escuchado la expresión “ondas sonoras” o “vibraciones sonoras”. De hecho, por ejemplo, el difusor de un altavoz que reproduce sonido vibra a una frecuencia determinada, que el audífono humano clasifica como sonido. Una de las leyes de la física establece que la presión en gases y líquidos se propaga sin cambios en todas direcciones. De ello se deduce que en condiciones ideales La velocidad del sonido en los gases es uniforme. Por supuesto, en realidad existe una atenuación natural. Es necesario recordar esta característica, ya que es la que explica por qué la velocidad puede cambiar. Pero nos desviamos un poco de esto. tema principal. Entonces, si el sonido es vibración, ¿qué es exactamente vibrar?

Cualquier gas es una colección de átomos de una determinada configuración. A diferencia de los sólidos, entre sus átomos existe una distancia relativamente grande (en comparación, por ejemplo, con red cristalina rieles). Se puede hacer una analogía con los guisantes distribuidos en un recipiente con una masa gelatinosa. las oscilaciones imparten impulso a los átomos de gas cercanos. Ellos, a su vez, como bolas en una mesa de billar, “golpean” a las vecinas y el proceso se repite. La velocidad del sonido en el aire determina con precisión la intensidad del impulso de la causa raíz. Pero este es sólo un componente. Cuanto más densos están los átomos de una sustancia, mayor es la velocidad de propagación del sonido en ella. Por ejemplo, la velocidad del sonido en el aire es casi 10 veces menor que en el granito monolítico. Esto es muy fácil de entender: para que un átomo en un gas "alcance" a su vecino y le transfiera energía de impulso, necesita superar una cierta distancia.

Consecuencia: al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de propagación de las ondas. A pesar de que la velocidad de los átomos es mayor, se mueven caóticamente y chocan con más frecuencia. También es cierto que el gas comprimido conduce el sonido mucho más rápido, pero el campeón sigue siendo el líquido. El cálculo de la velocidad del sonido en los gases tiene en cuenta la densidad inicial, la compresibilidad, la temperatura y el coeficiente (constante del gas). En realidad, todo esto se deriva de lo anterior.

Aún así, ¿cuál es la velocidad del sonido en el aire? Muchos ya han adivinado que es imposible dar una respuesta definitiva. Éstos son sólo algunos datos básicos:

En el punto cero (nivel del mar), la velocidad del sonido es de unos 331 m/s;

Al reducir la temperatura a -20 grados Celsius, se pueden “reducir la velocidad” de las ondas sonoras a 319 m/s, ya que inicialmente los átomos en el espacio se mueven más lentamente;

Aumentarlo a 500 grados acelera la propagación del sonido casi una vez y media, hasta 550 m/s.

Sin embargo, los datos aportados son aproximados, ya que además de la temperatura, la capacidad de los gases para conducir el sonido también se ve afectada por la presión, la configuración del espacio (una habitación con objetos o un área abierta), su propia movilidad, etc.

Actualmente, se está estudiando activamente la propiedad de la atmósfera para conducir el sonido. Por ejemplo, uno de los proyectos permite determinar la temperatura de las capas de aire mediante el registro del eco reflejado.

velocidad del sonido

Las principales características de las ondas sonoras incluyen la velocidad del sonido, su intensidad; estas son las características objetivas de las ondas sonoras, el tono y el volumen se clasifican como características subjetivas. Las características subjetivas dependen en gran medida de la percepción del sonido. persona concreta, y no en las características físicas del sonido.

Las mediciones de la velocidad del sonido en sólidos, líquidos y gases indican que la velocidad no depende de la frecuencia de vibración ni de la longitud de la onda sonora, es decir, las ondas sonoras no tienen dispersión. Las ondas longitudinales y transversales pueden propagarse en sólidos, cuya velocidad de propagación se calcula mediante las fórmulas:

donde E es el módulo de Young, G es el módulo de corte en sólidos. En los sólidos, la velocidad de propagación de las ondas longitudinales es casi el doble que la velocidad de propagación de las ondas transversales.

Sólo las ondas longitudinales pueden propagarse en líquidos y gases. La velocidad del sonido en el agua se encuentra mediante la fórmula:

K es el módulo volumétrico de la sustancia.

En los líquidos, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad del sonido, lo que se asocia con una disminución en la relación de compresión volumétrica del líquido.

Para los gases, se ha derivado una fórmula que relaciona su presión con la densidad:

I. Newton fue el primero en utilizar esta fórmula para encontrar la velocidad del sonido en los gases. De la fórmula se desprende claramente que la velocidad de propagación del sonido en los gases no depende de la temperatura, tampoco depende de la presión, ya que a medida que aumenta la presión, también aumenta la densidad del gas. A la fórmula también se le puede dar una forma más racional: basada en la ecuación de Mendeleev-Clapeyron:

Entonces la velocidad del sonido será igual a:

La fórmula se llama fórmula de Newton. La velocidad del sonido en el aire calculada con su ayuda es de 280 m/s a 273K. La velocidad experimental real es de 330 m/s.

Este resultado difiere significativamente del teórico, y la razón fue establecida por Laplace.

Demostró que el sonido se propaga adiabáticamente en el aire. Las ondas sonoras en los gases se propagan tan rápidamente que los cambios locales creados en el volumen y la presión en el medio gaseoso se producen sin intercambio de calor con ambiente. Laplace derivó una ecuación para encontrar la velocidad del sonido en los gases:

Propagación de ondas sonoras.

A medida que las ondas sonoras se propagan a través del medio, se atenúan. La amplitud de las vibraciones de las partículas del medio disminuye gradualmente a medida que aumenta la distancia a la fuente de sonido.

Una de las principales razones de la atenuación de las ondas es la acción de fuerzas de fricción interna sobre las partículas del medio. Para superar estas fuerzas se utiliza continuamente la energía mecánica del movimiento oscilatorio, que es transmitida por la onda. Esta energía se convierte en energía caótica. movimiento térmico Moléculas y átomos del medio ambiente. Dado que la energía de la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud de la oscilación, a medida que las ondas se propagan desde la fuente de sonido, junto con una disminución en la reserva de energía del movimiento oscilatorio, la amplitud de la oscilación también disminuye.

La propagación de sonidos en la atmósfera está influenciada por muchos factores: temperatura a diferentes altitudes, flujos de aire. El eco es el sonido reflejado desde una superficie. Las ondas sonoras pueden reflejarse desde superficies sólidas, desde capas de aire en las que la temperatura es diferente a la temperatura de las capas vecinas.

El artículo examina las características de los fenómenos sonoros en la atmósfera: la velocidad de propagación del sonido en el aire, la influencia del viento y la niebla en la propagación del sonido.
Las vibraciones longitudinales de las partículas de materia, que se propagan a través del medio material (aire, agua y sólidos) y llegan al oído humano, provocan sensaciones llamadas sonido.
EN aire atmosférico Siempre hay ondas sonoras de diferentes frecuencias e intensidades. Algunas de estas ondas son creadas artificialmente por humanos y algunos de los sonidos son de origen meteorológico.
Los sonidos de origen meteorológico incluyen truenos, aullidos del viento, zumbidos de cables, ruidos y crujidos de árboles, la “voz” del mar, sonidos al caer sobre superficie de la Tierra precipitaciones sólidas y líquidas, sonidos de oleaje en las costas de mares y lagos y otros.
La velocidad de propagación del sonido en la atmósfera se ve afectada por la temperatura y la humedad del aire, así como por el viento (dirección y fuerza). En promedio, la velocidad del sonido en la atmósfera es de 333 m/s. A medida que aumenta la temperatura del aire, la velocidad del sonido aumenta ligeramente. Los cambios en la humedad absoluta del aire tienen menos efecto sobre la velocidad del sonido.
La velocidad del sonido en el aire está determinada por la fórmula de Laplace:

(1),
donde p es la presión; ? - densidad del aire; ¿C? - capacidad calorífica del aire a presión constante; cp es la capacidad calorífica del aire a volumen constante.
Utilizando la ecuación de estado del gas, es posible obtener una serie de dependencias de la velocidad del sonido con respecto a los parámetros meteorológicos.
La velocidad del sonido en el aire seco está determinada por la fórmula:
c0 = 20,1 ?Tm/s, (2)
y en aire húmedo:
ñ0 = 20,1 ?ТВ m/s, (3)
donde TV = la llamada temperatura virtual acústica, que está determinada por la fórmula TV = T (1+ 0,275 e/p).
Cuando la temperatura del aire cambia 1°, la velocidad del sonido cambia 0,61 m/s. La velocidad del sonido depende del valor de la relación e/p (la relación entre humedad y presión), pero esta dependencia es pequeña y, por ejemplo, cuando la elasticidad del vapor de agua es inferior a 7 mm, al descuidarla se obtiene una Error en la velocidad del sonido no superior a 0,5 m/seg.
En presión normal y T = 0 °C, la velocidad del sonido en aire seco es 333 m/seg. En aire húmedo, la velocidad del sonido se puede determinar mediante la fórmula:
c = 333 + 0,6t + 0,07e (4)
En el rango de temperatura (t) de -20° a +30°, esta fórmula da un error en la velocidad del sonido de no más de ± 0,5 m/s. De las fórmulas anteriores se desprende claramente que la velocidad del sonido aumenta al aumentar la temperatura y la humedad del aire.
El viento tiene una fuerte influencia: la velocidad del sonido en la dirección del viento aumenta, en contra del viento disminuye. La presencia de viento en la atmósfera hace que la onda sonora se desvíe, lo que da la impresión de que la fuente del sonido se ha desplazado. La velocidad del sonido en este caso (c1) está determinada por la expresión:
c1 = c + U porque ?, (1)
donde U es la velocidad del viento; ? — el ángulo entre la dirección del viento en el punto de observación y la dirección observada de llegada del sonido.
Conocer la velocidad de propagación del sonido en la atmósfera ha gran importancia al resolver una serie de problemas en el estudio capas superiores atmósfera mediante el método acústico. Tomar ventaja velocidad media sonido en la atmósfera, puedes averiguar la distancia desde tu ubicación hasta el lugar donde se produce el trueno. Para hacer esto, debe determinar la cantidad de segundos entre el relámpago visible y el momento en que llega el sonido del trueno. Luego hay que multiplicar la velocidad media del sonido en la atmósfera: 333 m/seg. para el número de segundos resultante.

La mayoría de la gente entiende perfectamente qué es el sonido. Está asociado con la audición y está asociado con aspectos fisiológicos y procesos psicológicos. El cerebro procesa las sensaciones que llegan a través de los órganos auditivos. La velocidad del sonido depende de muchos factores.

Sonidos distinguidos por las personas.

En el sentido general de la palabra, el sonido es fenómeno físico, que provoca efectos en los órganos auditivos. Tiene la forma de ondas longitudinales de diferentes frecuencias. Las personas pueden escuchar sonidos cuya frecuencia oscila entre 16 y 20 000 Hz. Estas ondas longitudinales elásticas, que se propagan no solo en el aire, sino también en otros medios, llegando al oído humano, provocan sensaciones sonoras. La gente no puede oírlo todo. Las ondas elásticas con una frecuencia inferior a 16 Hz se denominan infrasonidos y las superiores a 20.000 Hz se denominan ultrasonidos. El oído humano no puede oírlos.

Características del sonido

Hay dos características principales del sonido: volumen y tono. El primero de ellos está relacionado con la intensidad de la onda sonora elástica. Hay otro indicador importante. Tamaño físico, que caracteriza la altura, es la frecuencia de oscilación de la onda elástica. En este caso se aplica una regla: cuanto más grande es, más alto es el sonido y viceversa. Otra característica importante es la velocidad del sonido. EN diferentes ambientes puede ser diferente. Representa la velocidad de propagación de las ondas sonoras elásticas. En un ambiente gaseoso esta cifra será menor que en líquidos. La velocidad del sonido en los sólidos es la más alta. Además, para las ondas longitudinales siempre es mayor que para las transversales.

Velocidad de propagación de las ondas sonoras.

Este indicador depende de la densidad del medio y su elasticidad. En medios gaseosos se ve afectado por la temperatura de la sustancia. Como regla general, la velocidad del sonido no depende de la amplitud y frecuencia de la onda. EN en casos raros Cuando estas características influyen, hablamos de la llamada dispersión. La velocidad del sonido en vapores o gases oscila entre 150 y 1000 m/s. En medios líquidos ya es de 750-2000 m/s, y en materiales sólidos, de 2000-6500 m/s. EN condiciones normales la velocidad del sonido en el aire alcanza 331 m/s. En agua corriente - 1500 m/s.

Velocidad de las ondas sonoras en diferentes medios químicos.

La velocidad de propagación del sonido en diferentes medios químicos no es la misma. Así, en nitrógeno es 334 m/s, en aire - 331, en acetileno - 327, en amoníaco - 415, en hidrógeno - 1284, en metano - 430, en oxígeno - 316, en helio - 965, en monóxido de carbono - 338, en dióxido de carbono - 259, en cloro - 206 m/s. La velocidad de una onda sonora en medios gaseosos aumenta al aumentar la temperatura (T) y la presión. En líquidos, suele disminuir a medida que T aumenta varios metros por segundo. Velocidad del sonido (m/s) en medio líquido (a una temperatura de 20°C):

Agua - 1490;

Alcohol etílico - 1180;

Benceno - 1324;

Mercurio - 1453;

Tetracloruro de carbono - 920;

Glicerina - 1923.

La única excepción a la regla anterior es el agua, en la que la velocidad del sonido aumenta al aumentar la temperatura. Alcanza su máximo cuando este líquido se calienta a 74°C. Con un aumento adicional de la temperatura, la velocidad del sonido disminuye. A medida que aumenta la presión, aumentará en un 0,01%/1 Atm. en lo salado agua de mar A medida que aumentan la temperatura, la profundidad y la salinidad, la velocidad del sonido también aumentará. En otros entornos, este indicador cambia de manera diferente. Así, en una mezcla de líquido y gas, la velocidad del sonido depende de la concentración de sus componentes. En un sólido isotópico, está determinado por su densidad y módulos elásticos. Las ondas elásticas transversales (de corte) y longitudinales se propagan en medios densos no confinados. Velocidad del sonido (m/s) en sólidos (ondas longitudinales/transversales):

Vidrio - 3460-4800/2380-2560;

Cuarzo fundido - 5970/3762;

Concreto - 4200-5300/1100-1121;

Cinc - 4170-4200/2440;

Teflón - 1340/*;

Hierro - 5835-5950/*;

Oro: 3200-3240/1200;

Aluminio - 6320/3190;

Plata - 3660-3700/1600-1690;

Latón - 4600/2080;

Níquel - 5630/2960.

En los ferromagnetos, la velocidad de la onda sonora depende de la fuerza del campo magnético. En monocristales, la velocidad de una onda sonora (m/s) depende de la dirección de su propagación:

• rubí (onda longitudinal) - 11240;
• sulfuro de cadmio (longitudinal/transversal) - 3580/4500;
• niobato de litio (longitudinal) - 7330.

La velocidad del sonido en el vacío es 0, ya que simplemente no se propaga en ese medio.

Determinación de la velocidad del sonido.

Todo lo que está asociado con señales de sonido, interesó a nuestros antepasados ​​​​hace miles de años. Casi todos los científicos destacados trabajaron para determinar la esencia de este fenómeno. mundo antiguo. Incluso los antiguos matemáticos descubrieron que el sonido es causado por los movimientos oscilatorios del cuerpo. Euclides y Ptolomeo escribieron sobre esto. Aristóteles estableció que la velocidad del sonido tiene un valor finito. Los primeros intentos de determinar este indicador los realizó F. Bacon en el siglo XVII. Intentó establecer la velocidad comparando los intervalos de tiempo entre el sonido del disparo y el destello de luz. Basándose en este método, un grupo de físicos de la Academia de Ciencias de París determinó por primera vez la velocidad de una onda sonora. EN diferentes condiciones experimento fue de 350-390 m/s. Antecedentes teóricos La velocidad del sonido fue considerada por primera vez por I. Newton en sus Principia. Producir definición correcta P.D. logró este indicador. Laplace.

Fórmulas de velocidad del sonido.

Para medios gaseosos y líquidos en los que el sonido se propaga, por regla general, adiabáticamente, el cambio de temperatura asociado con la tensión y la compresión en una onda longitudinal no puede igualarse rápidamente en un corto período de tiempo. Evidentemente, este indicador está influenciado por varios factores. La velocidad de una onda sonora en un medio gaseoso o líquido homogéneo está determinada por la siguiente fórmula:

donde β es la compresibilidad adiabática, ρ es la densidad del medio.

En derivadas parciales, esta cantidad se calcula mediante la siguiente fórmula:

c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T,

donde ρ, T, υ - la presión del medio, su temperatura y volumen específico; S - entropía; Cp - capacidad calorífica isobárica; Cυ - capacidad calorífica isocórica. Para medios gaseosos, esta fórmula se verá así:

c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

donde ζ es el valor adiabático: 4/3 para gases poliatómicos, 5/3 para gases monoatómicos, 7/5 para gases diatómicos (aire); R - constante de gas (universal); T - temperatura absoluta, medida en kelvins; k es la constante de Boltzmann; t - temperatura en °C; M - masa molar; metro- masa molecular; ά2 = ζR/M.

Determinación de la velocidad del sonido en un sólido.

En un cuerpo sólido que es homogéneo existen dos tipos de ondas que se diferencian en la polarización de las vibraciones en relación con la dirección de su propagación: transversales (S) y longitudinales (P). La velocidad del primero (C S) siempre será menor que la del segundo (C P):

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

C S 2 = GRAMO/ρ = E/2(1 + v)ρ,

donde K, E, G - compresión, Young, módulos de corte; v - relación de Poisson. Al calcular la velocidad del sonido en un sólido, se utilizan módulos elásticos adiabáticos.

Velocidad del sonido en medios multifásicos.

En medios multifásicos, debido a la absorción inelástica de energía, la velocidad del sonido depende directamente de la frecuencia de vibración. En un medio poroso de dos fases, se calcula mediante las ecuaciones de Bio-Nikolaevsky.

Conclusión

La medición de la velocidad de una onda sonora se utiliza para determinar diversas propiedades de sustancias, como el módulo de elasticidad de un sólido, la compresibilidad de líquidos y gases. Un método sensible para detectar impurezas es medir pequeños cambios en la velocidad de las ondas sonoras. En sólidos, la fluctuación de este indicador permite estudiar la estructura de bandas de los semiconductores. La velocidad del sonido es una cantidad muy importante, cuya medición nos permite aprender mucho sobre una amplia variedad de medios, cuerpos y otros objetos. investigación científica. Sin la capacidad de determinarlo, muchos descubrimientos científicos serían imposibles.

¿Qué tan rápido viaja el sonido?

La velocidad del sonido depende del medio en el que viaja. Entonces, el sonido se mueve en el aire a una velocidad de 344 m/s. Sin embargo, si la temperatura, la presión y la humedad del aire varían, entonces la velocidad del sonido cambia. A través de un medio líquido, como el agua, el sonido viaja a una velocidad de aproximadamente 1500 m/s. El sonido viaja aún más rápido a través de sólidos: 2500 m/s a través de plásticos duros, 5000 m/s a través de acero y aproximadamente 6000 m/s a través de algunos tipos de vidrio.

¿Puede el sonido rebotar en los objetos de la misma manera que lo hace la luz?

Las ondas sonoras se reflejan en superficies duras, lisas y planas (paredes, puertas), como las ondas de luz de un espejo. Si transcurre más de 0,1 s entre el retorno del eco (o reflexión) y el envío del sonido original, entonces los escuchamos como dos sonidos separados, el sonido reflejado se llama eco. Si la diferencia de tiempo entre la llegada del eco reflejado y el sonido enviado es menor, entonces están mezclados. Lo que aumenta la duración general del sonido. Este fenómeno se conoce como reverberación.

Las habitaciones especiales que absorben el sonido están completamente revestidas desde el interior con materiales blandos de cierta textura. Las paredes, techos y suelos captan casi toda la energía sonora y no hay reflejo del sonido ni en forma de eco ni de reverberación. Estas habitaciones se denominan habitaciones silenciosas: todos los sonidos que contienen están amortiguados.

Las ballenas cazadoras, como las ballenas beluga, producen clics acústicos similares a los enviados por murciélago. Estos impulsos se reflejan como un eco, informando a la ballena sobre los objetos cercanos.

midamos el sonido

Velocidad según número de Mach

Algunos aviones pueden volar a velocidades superiores a la velocidad del sonido; en la escala Mach corresponde al número M=1. Se genera una onda de compresión alrededor de un avión supersónico en vuelo, que viaja en forma de un ruido sordo fuerte y profundo conocido como boom sónico (cuando el avión rompe la barrera del sonido). El impacto podría revelar la presencia de un avión furtivo, el bombardero B-2, por lo que este tipo de aviones suelen volar a una velocidad ligeramente inferior a Mach 1.

La velocidad de crucero del B-2 es de aproximadamente 700 km/h.

Número de Mach

La velocidad del sonido se puede describir en la escala de Mach. La unidad de medida se representa como un número comparativo de la relación entre la velocidad de un avión y la velocidad del sonido en determinadas condiciones. El número de Mach lleva el nombre del científico austriaco Ernst Mach (1838-1916).

La velocidad del sonido en el aire a una temperatura de 20 grados y una presión atmosférica estándar al nivel del mar corresponde a aproximadamente 1238 km/h. Por lo tanto, un objeto que se mueve igual de rápido tiene una rapidez de M = 1 en números de Mach.

A mucha altura sobre el suelo, donde la temperatura y la presión del aire son más bajas de lo normal, la velocidad del sonido es de 1062 km/h. Por tanto, allí Mach 1,5 equivale a 1.593 km/h.

10 dB es el sonido más bajo que nuestros oídos pueden detectar, como el tictac de un reloj.

20 dB – susurro

40 dB – conversación tranquila de las personas que lo rodean

50 dB: televisión o radio en el rango de audio medio

60 dB – conversación bastante alta

70 dB – electrodomésticos: aspiradora o cosechadora doméstica

80 dB – tren pasando por la estación

100 dB: máquina o martillo neumático muy ruidoso para trabajos en carretera

120 dB – avión a reacción despegando

En la escala de decibelios, cada diferencia de 10 dB representa un aumento de energía diez veces mayor. Por ejemplo, 60 dB es un sonido diez veces más fuerte que 50 dB.