Ταχύτητα του ήχου

Σύμφωνα με τον ορισμό, η ταχύτητα του ήχου ορίζεται ως η απόσταση που διανύει το σημείο ενός ηχητικού κύματος, όπως αυτό της συμπίεσης ή της αραίωσης, σε μια μονάδα χρόνου. Όταν όλες οι συχνότητες σε ένα συγκεκριμένο μέσο υπόκεινται στις ίδιες φυσικές συνθήκες, η ταχύτητα του ήχου παραμένει σταθερή για όλες τις συχνότητες.

Ο ήχος διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα σε ένα ελαστικό μέσο και η ταχύτητα του ήχου ορίζεται ως η απόσταση που διανύει το κύμα σε μια μονάδα χρόνου.

Όταν η θερμοκρασία είναι 20 βαθμοί Κελσίου, η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι περίπου 343 μέτρα ανά δευτερόλεπτο (68 βαθμοί Φαρενάιτ). Ένα χιλιόμετρο διανύει σε 2,9 δευτερόλεπτα και ένα μίλι σε 4,7 δευτερόλεπτα.

Η ταχύτητα του ήχου σε ένα ιδανικό αέριο καθορίζεται αποκλειστικά από τη θερμοκρασία και τη σύσταση του αερίου. Στον συνηθισμένο αέρα, η ταχύτητα έχει μικρή μόνο επίδραση στη συχνότητα και την πίεση, αποκλίνοντας κάπως από την ιδανική συμπεριφορά του σωματιδίου.

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα του ηχητικού κύματος

Η πυκνότητα και η θερμοκρασία του μέσου μέσω του οποίου ταξιδεύει ένα ηχητικό κύμα επηρεάζουν την ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων.

Η θερμοκρασία του μέσου.

Η θερμότητα κάνει τον ήχο να ταξιδεύει με ταχύτερο ρυθμό από ό,τι σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα του ήχου αυξάνεται σε ευθεία αναλογία με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Η πυκνότητα του μέσου

Όταν το μέσο είναι παχύ, τα μόρια του μέσου συσσωρεύονται πυκνά, με αποτέλεσμα ο ήχος να ταξιδεύει γρηγορότερα μέσα από το μέσο από ό,τι όταν το μέσο είναι λεπτό. Ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα του ήχου αυξάνεται σε ευθεία αναλογία με την πυκνότητα του μέσου.

Ταχύτητα ηχητικών κυμάτων σε στερεό

Όταν πρόκειται για αυτό, ο ήχος δεν είναι τίποτα άλλο από μια διαταραχή που προκαλείται από συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων, όπως ένα μόριο που χτυπά ένα άλλο κ.λπ. Τα στερεά έχουν ουσιαστικά μεγαλύτερη πυκνότητα από τα υγρά ή τα αέρια, πράγμα που σημαίνει ότι τα μόρια στα στερεά είναι πιο κοντά το ένα στο άλλο απ' ό,τι στα υγρά και τα υγρά είναι πιο κοντά το ένα στο άλλο παρά στα αέρια. Λόγω της εγγύτητάς τους ως αποτέλεσμα της πυκνότητας, έχουν τη δυνατότητα να συγκρούονται εξαιρετικά γρήγορα. Χρειάζεται λιγότερος χρόνος για να συγκρουστεί ένα μόριο ενός στερεού με ένα γειτονικό μόριο όταν το στερεό στερεοποιείται. Η ταχύτητα του ήχου σε ένα στερεό είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο ως αποτέλεσμα αυτού του πλεονεκτήματος.

Χρειάζονται 6000 μέτρα ανά δευτερόλεπτο για να διαδοθεί ο ήχος μέσω της στερεάς ύλης και 5100 μέτρα ανά δευτερόλεπτο για να διαδοθεί ο ήχος μέσω του χάλυβα για να φτάσει σε εμάς. Ένα άλλο συναρπαστικό στατιστικό σχετικά με την ταχύτητα του ήχου είναι ότι ο ήχος ταξιδεύει 35 φορές πιο γρήγορα στα διαμάντια από ότι στον αέρα, κάτι που είναι ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα.

Ταχύτητα ήχου στον αέρα

Η ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος που διασχίζει τον αέρα καθορίζεται από τις ιδιότητες του αέρα, δηλαδή τη θερμοκρασία και την υγρασία. Η υγρασία εμφανίζεται ως συνέπεια της παρουσίας υδρατμών στον αέρα. Η ισχύς των αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων θα επηρεαστεί από τη θερμοκρασία του συστήματος.

v =331 m/s + (0,6 m/s/C)×T

Σε αυτή την εξίσωση, T είναι η θερμοκρασία του αέρα εκφρασμένη σε βαθμούς Κελσίου. Για τον υπολογισμό της ταχύτητας ενός ηχητικού κύματος στον αέρα σε θερμοκρασία 20 βαθμών Κελσίου, χρησιμοποιείται η ακόλουθη εξίσωση σε συνδυασμό με την ακόλουθη λύση:

v =331 m/s + (0,6 m/s/C)×T

v =331 m/s + (0,6 m/s/C)×(20 C)

v =331 m/s + 12 m/s

v =343 m/s

Τα χαρακτηριστικά των ηχητικών κυμάτων

Ο ήχος αποτελείται από κύματα. Για λόγους σαφήνειας, ο ήχος ορίζεται ως μια διαταραχή της ύλης που διαδίδεται προς τα έξω από την πηγή της. Ως διαταραχή ορίζεται οτιδήποτε προκαλεί τη μετατόπιση ενός αντικειμένου από την κατάσταση ισορροπίας του. Ορισμένα ηχητικά κύματα μπορούν να ταξινομηθούν ως περιοδικά κύματα, γεγονός που δείχνει ότι τα άτομα που αποτελούν την ύλη βιώνουν απλή αρμονική κίνηση ως αποτέλεσμα των κυμάτων.

Η διαταραχή πίεσης διαδίδεται στον αέρα ως διαμήκη κύματα που έχουν την ίδια συχνότητα με τη χορδή.

Το πλάτος ενός ηχητικού κύματος μειώνεται με την απόσταση από την πηγή του, επειδή η ενέργεια του κύματος διασκορπίζεται σε μια ευρύτερη και μεγαλύτερη περιοχή καθώς το κύμα απομακρύνεται από την πηγή του. Ένα διαμήκη κύμα εναλλάσσεται μεταξύ συμπίεσης και αραίωσης με τον ίδιο τρόπο όπως ένα εγκάρσιο κύμα εναλλάσσεται μεταξύ κορυφών και κοιλοτήτων με τον ίδιο τρόπο.

Συμπέρασμα

Τα ηχητικά κύματα στα στερεά αποτελούνται από δύο τύπους:κύματα συμπίεσης και διάτμησης. Τα κύματα συμπίεσης είναι υπεύθυνα για τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων σε αέρια και υγρά. Τα διατμητικά κύματα στα υλικά κινούνται με ταχύτερο ρυθμό από τα κύματα συμπίεσης, όπως φαίνεται από σεισμολογικά πειράματα.