El sonido es uno de los componentes de nuestra vida y la gente lo escucha en todas partes. Para considerar este fenómeno con más detalle, primero debemos entender el concepto en sí. Para hacer esto, debe recurrir a la enciclopedia, donde está escrito que "el sonido son ondas elásticas que se propagan en algún medio elástico y crean vibraciones mecánicas en él". En términos más simples, se trata de vibraciones audibles en cualquier entorno. Las principales características del sonido dependen de lo que sea. En primer lugar, la velocidad de propagación, por ejemplo, en el agua difiere de la de otros entornos.
Cualquier análogo de sonido tiene ciertas propiedades (características físicas) y cualidades (reflejo de estas características en las sensaciones humanas). Por ejemplo, duración-duración, frecuencia-tono, composición-timbre, etc.
La velocidad del sonido en el agua es mucho mayor que, digamos, en el aire. En consecuencia, se propaga más rápido y se escucha mucho más lejos. Esto sucede debido a la alta densidad molecular del medio acuático. Es 800 veces más denso que el aire y el acero. De ello se deduce que la propagación del sonido depende en gran medida del medio. Veamos números específicos. Así, la velocidad del sonido en el agua es de 1430 m/s, en el aire de 331,5 m/s.
El sonido de baja frecuencia, por ejemplo el ruido producido por el motor de un barco en funcionamiento, siempre se escucha un poco antes de que el barco aparezca en el campo visual. Su velocidad depende de varias cosas. Si la temperatura del agua aumenta, entonces, naturalmente, aumenta la velocidad del sonido en el agua. Lo mismo ocurre con el aumento de la salinidad y la presión del agua, que aumenta al aumentar la profundidad del agua. Un fenómeno como las termoclinas puede tener un papel especial en la velocidad. Son lugares donde se producen capas de agua de diferentes temperaturas.
También en esos lugares es diferente (debido a la diferencia de temperatura). Y cuando las ondas sonoras atraviesan capas de diferentes densidades, pierden la mayor parte de su fuerza. Cuando una onda de sonido encuentra una termoclina, se refleja parcial o, a veces, completamente (el grado de reflexión depende del ángulo en el que cae el sonido), después de lo cual se forma una zona de sombra en el otro lado de este lugar. Si consideramos un ejemplo cuando una fuente de sonido está ubicada en un cuerpo de agua por encima de la termoclina, debajo de ella no solo será difícil, sino casi imposible escuchar algo.
Los que se escuchan sobre la superficie, nunca se escuchan en el agua misma. Y ocurre lo contrario cuando está debajo de la capa de agua: encima no suena. Un ejemplo sorprendente de esto son los buceadores modernos. Su audición se reduce considerablemente debido al hecho de que el agua les afecta, y la alta velocidad del sonido en el agua reduce la calidad de determinar la dirección desde la que se mueve. Esto embota la capacidad estereofónica de percibir el sonido.
Debajo de la capa de agua, ingresa al oído humano principalmente a través de los huesos del cráneo y no, como en la atmósfera, a través de los tímpanos. El resultado de este proceso es su percepción por ambos oídos simultáneamente. En este momento, el cerebro humano no es capaz de distinguir de dónde proceden las señales y con qué intensidad. El resultado es la aparición de la conciencia de que el sonido parece llegar de todos lados al mismo tiempo, aunque esto está lejos de ser el caso.
Además de lo descrito anteriormente, las ondas sonoras en el agua tienen cualidades tales como absorción, divergencia y dispersión. La primera es cuando la fuerza del sonido en el agua salada se desvanece gradualmente debido a la fricción del medio acuático y las sales que contiene. La divergencia se manifiesta en la distancia del sonido a su fuente. Parece disolverse en el espacio como la luz y, como resultado, su intensidad cae significativamente. Y las oscilaciones desaparecen por completo debido a la dispersión por todo tipo de obstáculos y faltas de homogeneidad del entorno.
Hoy en día, muchos nuevos colonos, a la hora de amueblar un apartamento, se ven obligados a realizar trabajos adicionales, incluida la insonorización de su vivienda, porque... Los materiales estándar utilizados permiten ocultar sólo parcialmente lo que sucede en su propia casa y no interesarse por la comunicación de sus vecinos en contra de su voluntad.
En los sólidos, se ve afectada al menos por la densidad y elasticidad de la sustancia que resiste la onda. Por lo tanto, al equipar locales, la capa adyacente al muro de carga se insonoriza con "superposiciones" en la parte superior e inferior. Le permite reducir los decibeles a veces más de 10 veces. Luego se colocan esteras de basalto y encima se colocan láminas de placas de yeso, que reflejan el sonido hacia el exterior del apartamento. Cuando una onda sonora “vuela” hacia una estructura de este tipo, se atenúa en las capas aislantes, que son porosas y blandas. Si el sonido es fuerte, los materiales que lo absorben pueden incluso calentarse.
Las sustancias elásticas, como el agua, la madera y los metales, se transmiten bien, por eso escuchamos el hermoso "canto" de los instrumentos musicales. Y algunos pueblos en el pasado determinaban el acercamiento de, por ejemplo, los jinetes, pegando la oreja al suelo, que además es bastante elástico.
La velocidad del sonido en kilómetros depende de las características del medio en el que se propaga. En particular, el proceso puede verse afectado por su presión, composición química, temperatura, elasticidad, densidad y otros parámetros. Por ejemplo, en una chapa de acero una onda sonora se propaga a una velocidad de 5.100 metros por segundo, en el vidrio, unos 5.000 m/s, en la madera y el granito, unos 4.000 m/s. Para convertir la velocidad a kilómetros por hora, debes multiplicar las cifras por 3600 (segundos por hora) y dividir por 1000 (metros por kilómetro).
La velocidad del sonido en kilómetros en un medio acuático es diferente para sustancias con diferentes salinidades. Para agua dulce a una temperatura de 10 grados centígrados es de unos 1450 m/s, y a una temperatura de 20 grados centígrados y la misma presión ya es de unos 1490 m/s.
Un ambiente salado se caracteriza por una velocidad de vibración del sonido obviamente mayor.
La propagación del sonido en el aire también depende de la temperatura. Con un valor de 20 para este parámetro, las ondas sonoras viajan a una velocidad de unos 340 m/s, lo que equivale a unos 1200 km/h. Y a cero grados la velocidad se reduce a 332 m/s. Volviendo a los aislantes de nuestro apartamento, podemos saber que en un material como el corcho, que se utiliza a menudo para reducir los niveles de ruido exterior, la velocidad del sonido en kilómetros es de sólo 1800 km/h (500 metros por segundo). Esto es diez veces menor que esta característica en las piezas de acero.
Una onda sonora es una vibración longitudinal del medio en el que se propaga. Cuando, por ejemplo, la melodía de una pieza musical atraviesa algún obstáculo, su nivel de volumen disminuye, porque Al mismo tiempo, la frecuencia sigue siendo la misma, por lo que escuchamos la voz de una mujer como de mujer y la de un hombre como de hombre. El lugar más interesante es aquel donde la velocidad del sonido en kilómetros es cercana a cero. Se trata de un vacío en el que ondas de este tipo casi no se propagan. Para demostrar cómo funciona esto, los físicos colocan un despertador que suena debajo de una campana desde la que se bombea el aire. Cuanto más enrarecido el aire, más silenciosamente se oye la campana.
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, definámoslo Seguramente 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 distraemos un poco del 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 la red cristalina de los metales). 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 son 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 licuado. 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 bajar 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.
La mayoría de la gente entiende perfectamente qué es el sonido. Está asociado con la audición y está asociado con procesos fisiológicos y 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 un fenómeno físico que provoca un efecto en los órganos de la audición. 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. La cantidad física 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. Varía en diferentes entornos. 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 los raros casos en que estas características influyen, se habla 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 los 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 el agua de mar salada, a medida que aumentan la temperatura, la profundidad y la salinidad, aumentará la velocidad del sonido. 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 relacionado con las señales sonoras interesaba a nuestros antepasados hace miles de años. Casi todos los científicos destacados del mundo antiguo trabajaron para determinar la esencia de este fenómeno. 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 diversas condiciones experimentales fue de 350 a 390 m/s. La justificación teórica de la velocidad del sonido fue considerada por primera vez por I. Newton en sus "Principios". P.S. pudo determinar correctamente 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 - peso molecular; ά2 = ζR/ M.
Determinación de la velocidad del sonido en un sólido.
En un sólido homogéneo existen dos tipos de ondas que se diferencian en la polarización de las vibraciones en relación a la dirección de su propagación: transversal (S) y longitudinal (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 de investigación científica. Sin la capacidad de determinarlo, muchos descubrimientos científicos serían imposibles.
velocidad del sonido- la velocidad de propagación de las ondas elásticas en un medio: tanto longitudinal (en gases, líquidos o sólidos) como transversal, cortante (en sólidos). Está determinada por la elasticidad y densidad del medio: por regla general, la velocidad del sonido en los gases es menor que en los líquidos y en los líquidos es menor que en los sólidos. Además, en los gases, la velocidad del sonido depende de la temperatura de una sustancia determinada, en los monocristales, de la dirección de propagación de la onda. Por lo general, no depende de la frecuencia de la onda ni de su amplitud; en los casos en que la velocidad del sonido depende de la frecuencia, hablamos de dispersión del sonido.
YouTube enciclopédico
-
1 / 5
Ya en los autores antiguos hay indicios de que el sonido es causado por el movimiento oscilatorio del cuerpo (Ptolomeo, Euclides). Aristóteles señala que la velocidad del sonido tiene un valor finito e imagina correctamente la naturaleza del sonido. Los intentos de determinar experimentalmente la velocidad del sonido se remontan a la primera mitad del siglo XVII. F. Bacon en el New Organon señaló la posibilidad de determinar la velocidad del sonido comparando los intervalos de tiempo entre un destello de luz y el sonido de un disparo. Con este método, varios investigadores (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, un grupo de científicos de la Academia de Ciencias de París - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) determinaron el valor de la velocidad del sonido. (dependiendo de las condiciones experimentales, 350- 390 m/s). Teóricamente, la cuestión de la velocidad del sonido fue considerada por primera vez por I. Newton en sus "Principios". Newton en realidad asumió que la propagación del sonido es isotérmica y, por lo tanto, recibió una subestimación. Laplace obtuvo el valor teórico correcto de la velocidad del sonido.
Cálculo de velocidad en líquido y gas.
La velocidad del sonido en un líquido (o gas) homogéneo se calcula mediante la fórmula:
c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))En derivadas parciales:
c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ parcial p)(\partial v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (C_(p))(C_(v)))\left((\ frac (\partial p)(\partial v))\right)_(T))))Dónde β (\ Displaystyle \ beta)- compresibilidad adiabática del medio; ρ (\displaystyle \rho )- densidad; C p (\displaystyle C_(p))- capacidad calorífica isobárica; Cv (\displaystyle C_(v))- capacidad calorífica isocórica; pag (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- presión, volumen específico y temperatura del medio; s (\displaystyle s)- entropía del medio.
Para soluciones y otros sistemas físicos y químicos complejos (por ejemplo, gas natural, petróleo), estas expresiones pueden dar un error muy grande.
Sólidos
En presencia de interfaces, la energía elástica se puede transferir a través de ondas superficiales de varios tipos, cuya velocidad difiere de la velocidad de las ondas longitudinales y transversales. La energía de estas oscilaciones puede ser muchas veces mayor que la energía de las ondas corporales.
