Скорость звука

Определение "Скорость звука" в Большой Советской Энциклопедии

Скорость звука, скорость распространения какой-либо фиксированной фазы звуковой волны; называется также фазовой скоростью, в отличие от групповой скорости. Скорость звука обычно величина постоянная для данного вещества при заданных внешних условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и Скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука.

  Для газов и жидкостей, где звук распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение температуры, связанное со сжатиями и разряжениями в звуковой волне, не успевает выравниваться за период), выражение для Скорость звука можно представить, как
,

где К_ад — адиабатический модуль объёмного сжатия, r — плотность, b_ад — адиабатическая сжимаемость, b_из = gb_ад — изотермическая сжимаемость, g = c_p/c_v — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении c_p и при постоянном объёме c_v.
  В идеальном газе Скорость звука

(формула Лапласа), где r₀ — среднее давление в среде, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, m — молекулярный вес газа. При g = 1 получаем формулу Ньютона для Скорость звука, соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.

Скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа Скорость звука возрастает. В табл. 1 и 2 приведены значения Скорость звука для некоторых газов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия Скорость звука, приведены её значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем время релаксации.

Табл. 1. — Скорость звука в газах при 0 °C и давлении 1 атм

Газ	с, м/сек
Азот	334
Кислород	316
Воздух	331
Гелий	965
Водород	1284
Метан	430
Аммиак	415

  Скорость звука в газах растет с ростом температуры и давления; в жидкостях Скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой Скорость звука увеличивается с ростом температуры и достигает максимума при температуре 74 °С, а с дальнейшим ростом температуры уменьшается. В морской воде Скорость звука зависит от температуры, солёности и глубины, что определяет ход звуковых лучей в море и, в частности, существование подводного звукового канала.

Табл. 2. — Скорость звука в жидкостях при 20^° С

Жидкость	с, м/сек
Вода	1490
Бензол	1324
Спирт этиловый	1180
Четырёххлористый углерод	920
Ртуть	1453
Глицерин	1923

  Скорость звука в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.

Скорость звука в изотропных твёрдых телах определяется модулями упругости вещества и его плотностью. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причём фазовая Скорость звука для продольной волны равна
,
а для сдвиговой

где Е — модуль Юнга, G — модуль сдвига, g — коэффициент Пуассона, К — модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл. 3).

Табл. 3. — Скорость звука в некоторых твердых телах.

Материал	cl, м/сек, скорость продольной волны	ct, м/сек, скорость сдвиговой волны	сlст, м/сек, скорость звука в стержне
Кварц плавленый	5970	3762	5760
Бетон	4200—5300	—	—
Плексиглас	2670—2680	1100—1121	1840—2140
Стекло, флинт	3760—4800	2380—2560	3490—4550
Тефлон	1340	—	—
Эбонит	2405	—	1570
Железо	5835—5950	—	2030
Золото	3200—3240	1200	2030
Свинец	1960—2400	700—790	1200—1320
Цинк	4170—4210	2440	3700—3850
Никель	5630	2960	4785—4973
Серебро	3650—3700	1600—1690	2610—2800
Латунь Л59	4600	2080	3450
Алюминиевый сплав АМГ	6320	3190	5200

  В монокристаллических твёрдых телах Скорость звука зависит от направления распространения волны относительно кристаллографических осей. Во многих веществах Скорость звука зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах Скорость звука существенно зависит от обработки, которой был подвергнут металл: прокат, ковка, отжиг и т. п.

Измерение Скорость звука используется для определения многих свойств веществ. Измерение малых изменений Скорость звука является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерения Скорость звука и её зависимость от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников, строение Ферми поверхностей в металлах и пр. Ряд контрольно-измерительных применений ультразвука в технике основан на измерениях Скорость звука

Всё вышеизложенное относится к распространению звука в сплошной среде, т. е. Скорость звука является макроскопической характеристикой среды. Реальные вещества не являются сплошными; их дискретность приводит к необходимости рассмотрения упругих колебаний др. типов. В твёрдом теле понятие Скорость звука относится только к акустической ветви колебаний кристаллической решётки.
 

  Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.
  А. Л. Полякова.