La vitesse de propagation des ondes dans l'air. Exemples de différentes vitesses

Le son est l’une des composantes de notre vie et les gens l’entendent partout. Pour examiner ce phénomène plus en détail, nous devons d’abord comprendre le concept lui-même. Pour ce faire, vous devez vous tourner vers l'encyclopédie, où il est écrit que "le son est constitué d'ondes élastiques se propageant dans un milieu élastique et y créant des vibrations mécaniques". En termes plus simples, il s’agit de vibrations audibles dans n’importe quel environnement. Les principales caractéristiques du son dépendent de ce dont il s’agit. Tout d’abord, la vitesse de propagation, par exemple, dans l’eau, diffère de celle des autres milieux.

Tout analogue sonore possède certaines propriétés (caractéristiques physiques) et qualités (reflet de ces caractéristiques dans les sensations humaines). Par exemple, durée-durée, fréquence-hauteur, composition-timbre, etc.

La vitesse du son dans l’eau est beaucoup plus élevée que, par exemple, dans l’air. Par conséquent, il se propage plus rapidement et s’entend beaucoup plus loin. Cela est dû à la densité moléculaire élevée du milieu aquatique. Il est 800 fois plus dense que l'air et l'acier. Il s’ensuit que la propagation du son dépend largement du milieu. Regardons des chiffres précis. Ainsi, la vitesse du son dans l’eau est de 1430 m/s, dans l’air de 331,5 m/s.

Les sons à basse fréquence, par exemple le bruit produit par le moteur d'un navire en marche, sont toujours entendus un peu plus tôt que l'apparition du navire dans le champ de vision. Sa vitesse dépend de plusieurs choses. Si la température de l’eau augmente, la vitesse du son dans l’eau augmente naturellement. La même chose se produit avec une augmentation de la salinité et de la pression de l’eau, qui augmente avec la profondeur de l’eau. Un phénomène tel que les thermoclines peut jouer un rôle particulier sur la vitesse. Ce sont des endroits où se forment des couches d’eau de différentes températures.

Dans de tels endroits également, c'est différent (en raison de la différence de température). Et lorsque les ondes sonores traversent de telles couches de densités différentes, elles perdent l’essentiel de leur force. Lorsqu'une onde sonore frappe une thermocline, elle est partiellement, voire complètement, réfléchie (le degré de réflexion dépend de l'angle sous lequel tombe le son), après quoi une zone d'ombre se forme de l'autre côté de cet endroit. Si nous considérons un exemple où une source sonore est située dans un plan d'eau au-dessus de la thermocline, alors en dessous, il sera non seulement difficile, mais presque impossible d'entendre quoi que ce soit.

Ceux qui sont émis au-dessus de la surface ne sont jamais entendus dans l’eau elle-même. Et l’inverse se produit sous la couche d’eau : au-dessus, cela ne sonne pas. Les plongeurs modernes en sont un exemple frappant. Leur audition est considérablement réduite du fait que l'eau les affecte, et la vitesse élevée du son dans l'eau réduit la qualité de la détermination de la direction dans laquelle il se déplace. Cela atténue la capacité stéréophonique à percevoir le son.

Sous la couche d'eau, elle pénètre dans l'oreille humaine avant tout par les os du crâne et non, comme dans l'atmosphère, par les tympans. Le résultat de ce processus est sa perception simultanée par les deux oreilles. À l’heure actuelle, le cerveau humain n’est pas capable de distinguer les endroits d’où proviennent les signaux et leur intensité. Le résultat est l’émergence d’une conscience que le son semble arriver de tous les côtés en même temps, même si c’est loin d’être le cas.

En plus de ce qui est décrit ci-dessus, les ondes sonores dans l’eau possèdent des qualités telles que l’absorption, la divergence et la dispersion. La première se produit lorsque la force du son dans l’eau salée s’estompe progressivement en raison de la friction du milieu aquatique et des sels qu’il contient. La divergence se manifeste dans la distance entre le son et sa source. Il semble se dissoudre dans l’espace comme la lumière et, par conséquent, son intensité diminue considérablement. Et les oscillations disparaissent complètement du fait de la dispersion par toutes sortes d'obstacles et d'inhomogénéités du milieu.

Aujourd'hui, de nombreux nouveaux colons, lorsqu'ils meublent un appartement, sont obligés d'effectuer des travaux supplémentaires, notamment l'insonorisation de leur maison, car... Les matériaux standards utilisés permettent de ne masquer que partiellement ce qui se passe chez soi, et de ne pas s'intéresser à la communication de ses voisins contre son gré.

Dans les solides, elle est affectée au moins par la densité et l’élasticité de la substance résistant à la vague. Ainsi, lors de l'équipement des locaux, la couche adjacente au mur porteur est insonorisée avec des « chevauchements » en haut et en bas. Il permet de réduire les décibels parfois de plus de 10 fois. Ensuite, des nattes de basalte sont posées et des plaques de plâtre sont placées dessus, qui reflètent le son vers l'extérieur de l'appartement. Lorsqu’une onde sonore « monte » vers une telle structure, elle est atténuée dans les couches isolantes, qui sont poreuses et molles. Si le son est fort, les matériaux qui l’absorbent peuvent même s’échauffer.

Les substances élastiques, telles que l’eau, le bois et les métaux, se transmettent bien, nous entendons donc le beau « chant » des instruments de musique. Et certains peuples du passé déterminaient l'approche, par exemple, des cavaliers, en mettant leur oreille au sol, qui est également assez élastique.

La vitesse du son en km dépend des caractéristiques du milieu dans lequel il se propage. En particulier, le processus peut être affecté par sa pression, sa composition chimique, sa température, son élasticité, sa densité et d'autres paramètres. Par exemple, dans une tôle d'acier, une onde sonore se propage à une vitesse de 5 100 mètres par seconde, dans le verre - environ 5 000 m/s, dans le bois et le granit - environ 4 000 m/s. Pour convertir la vitesse en kilomètres par heure, vous devez multiplier les chiffres par 3 600 (secondes par heure) et diviser par 1 000 (mètres par kilomètre).

La vitesse du son en km dans un milieu aquatique est différente pour des substances de salinités différentes. Pour de l'eau douce à une température de 10 degrés Celsius, elle est d'environ 1 450 m/s, et à une température de 20 degrés Celsius et à la même pression, elle est déjà d'environ 1 490 m/s.

Un environnement salé se caractérise par une vitesse de vibrations sonores évidemment plus élevée.

La propagation du son dans l'air dépend également de la température. Avec une valeur de 20 pour ce paramètre, les ondes sonores se propagent à une vitesse d'environ 340 m/s, soit environ 1200 km/h. Et à zéro degré, la vitesse ralentit jusqu'à 332 m/s. En revenant à nos isolants d'appartement, nous pouvons apprendre que dans un matériau comme le liège, souvent utilisé pour réduire les niveaux de bruit extérieur, la vitesse du son en km n'est que de 1 800 km/h (500 mètres par seconde). C'est dix fois inférieur à cette caractéristique dans les pièces en acier.

Une onde sonore est une vibration longitudinale du milieu dans lequel elle se propage. Lorsque, par exemple, la mélodie d'un morceau de musique traverse un obstacle, son volume diminue, car change en même temps, la fréquence reste la même, grâce à laquelle nous entendons la voix d’une femme comme celle d’une femme et celle d’un homme comme celle d’un homme. L'endroit le plus intéressant est celui où la vitesse du son en km est proche de zéro. Il s’agit d’un vide dans lequel les ondes de ce type ne se propagent quasiment pas. Pour démontrer comment cela fonctionne, les physiciens placent un réveil qui sonne sous un capot d'où l'air est pompé. Plus l’air est raréfié, plus la cloche est audible.

Pendant de nombreuses années, voire des années après la fin de l'école, on ignore quelle est la vitesse réelle du son dans l'air. Certains n’ont pas écouté attentivement l’enseignant, tandis que d’autres n’ont tout simplement pas bien compris le matériel présenté. Eh bien, il est peut-être temps de combler ce manque de connaissances. Aujourd'hui, nous n'indiquerons pas seulement les nombres « secs », mais expliquerons le mécanisme lui-même qui détermine la vitesse du son dans l'air.

Comme vous le savez, l’air est un ensemble de divers gaz. Un peu plus de 78 % est de l'azote, près de 21 % est de l'oxygène, le reste est du dioxyde de carbone et nous parlerons donc de la vitesse de propagation du son dans un environnement gazeux.

Tout d'abord, définissons-le. Beaucoup ont sûrement entendu l'expression « ondes sonores » ou « vibrations sonores ». En effet, par exemple, le diffuseur d'un haut-parleur reproduisant le son vibre à une certaine fréquence, qui est classée par l'aide auditive humaine comme son. L’une des lois de la physique stipule que la pression dans les gaz et les liquides se propage sans changement dans toutes les directions. Il s’ensuit que dans des conditions idéales, la vitesse du son dans les gaz est uniforme. Bien entendu, il existe en réalité une atténuation naturelle. Il faut retenir cette fonctionnalité, car c'est elle qui explique pourquoi la vitesse peut changer. Mais nous sommes un peu distraits du sujet principal. Alors, si le son est une vibration, qu’est-ce que la vibration exactement ?

Tout gaz est un ensemble d'atomes d'une certaine configuration. Contrairement aux solides, il existe une distance relativement grande entre les atomes qui les composent (par rapport, par exemple, au réseau cristallin des métaux). Une analogie peut être faite avec des pois répartis sur un récipient avec une masse gélatineuse. les oscillations donnent de l'élan aux atomes de gaz proches. À leur tour, comme des boules sur une table de billard, elles « frappent » les voisines et le processus se répète. La vitesse du son dans l’air détermine précisément l’intensité de l’impulsion fondamentale. Mais ce n’est qu’un élément. Plus les atomes d'une substance sont denses, plus la vitesse de propagation du son dans celle-ci est élevée. Par exemple, la vitesse du son dans l’air est presque 10 fois inférieure à celle du granit monolithique. C'est très simple à comprendre : pour qu'un atome dans un gaz « atteigne » son voisin et lui transfère de l'énergie de mouvement, il doit parcourir une certaine distance.

Conséquence : avec l'augmentation de la température, la vitesse de propagation des ondes augmente. Bien que la vitesse des atomes soit plus élevée, ils se déplacent de manière chaotique et entrent en collision plus souvent. Il est également vrai que le gaz comprimé conduit le son beaucoup plus rapidement, mais le champion reste liquéfié. Le calcul de la vitesse du son dans les gaz prend en compte la densité initiale, la compressibilité, la température et le coefficient (constante du gaz). En fait, tout cela découle de ce qui précède.

Mais quelle est la vitesse du son dans l’air ? Beaucoup ont déjà deviné qu'il est impossible de donner une réponse définitive. Voici quelques données de base :

A zéro au point zéro (niveau de la mer), la vitesse du son est d'environ 331 m/s ;

En abaissant la température à -20 degrés Celsius, vous pouvez « ralentir » les ondes sonores jusqu'à 319 m/s, car initialement les atomes dans l'espace se déplacent plus lentement ;

L'augmenter à 500 degrés accélère la propagation du son de près d'une fois et demie - jusqu'à 550 m/s.

Cependant, les données fournies sont indicatives, car outre la température, la capacité des gaz à conduire le son est également affectée par la pression, la configuration de l'espace (une pièce avec des objets ou un espace ouvert), leur propre mobilité, etc.

Actuellement, la propriété de l’atmosphère à conduire le son est activement étudiée. Par exemple, l'un des projets permet de déterminer la température des couches d'air en enregistrant la réflexion (écho).

La plupart des gens comprennent parfaitement ce qu'est le son. Il est associé à l’audition et aux processus physiologiques et psychologiques. Le cerveau traite les sensations transmises par les organes auditifs. La vitesse du son dépend de nombreux facteurs.

Les sons se distinguent par les gens

Au sens général du terme, le son est un phénomène physique qui provoque un effet sur les organes de l'audition. Il se présente sous la forme d’ondes longitudinales de différentes fréquences. Les gens peuvent entendre des sons dont la fréquence varie de 16 à 20 000 Hz. Ces ondes longitudinales élastiques, qui se propagent non seulement dans l'air, mais aussi dans d'autres milieux, atteignant l'oreille humaine, provoquent des sensations sonores. Les gens ne peuvent pas tout entendre. Les ondes élastiques d'une fréquence inférieure à 16 Hz sont appelées infrasons, et celles supérieures à 20 000 Hz sont appelées ultrasons. L'oreille humaine ne peut pas les entendre.

Caractéristiques sonores

Il existe deux caractéristiques principales du son : le volume et la hauteur. Le premier d’entre eux est lié à l’intensité de l’onde sonore élastique. Il existe un autre indicateur important. La grandeur physique qui caractérise la hauteur est la fréquence d'oscillation de l'onde élastique. Dans ce cas, une règle s’applique : plus il est gros, plus le son est aigu, et vice versa. Une autre caractéristique importante est la vitesse du son. Cela varie selon les environnements. Il représente la vitesse de propagation des ondes sonores élastiques. Dans un environnement gazeux, ce chiffre sera inférieur à celui des liquides. La vitesse du son dans les solides est la plus élevée. De plus, pour les ondes longitudinales, elle est toujours supérieure à celle pour les ondes transversales.

Vitesse de propagation des ondes sonores

Cet indicateur dépend de la densité du milieu et de son élasticité. Dans les milieux gazeux, elle est affectée par la température de la substance. En règle générale, la vitesse du son ne dépend pas de l'amplitude et de la fréquence de l'onde. Dans les rares cas où ces caractéristiques ont une influence, on parle de ce qu'on appelle la dispersion. La vitesse du son dans les vapeurs ou les gaz varie de 150 à 1 000 m/s. Dans les milieux liquides, il est déjà de 750 à 2 000 m/s et dans les matériaux solides de 2 000 à 6 500 m/s. Dans des conditions normales, la vitesse du son dans l’air atteint 331 m/s. Dans l'eau ordinaire - 1500 m/s.

Vitesse des ondes sonores dans différents milieux chimiques

La vitesse de propagation du son dans différents milieux chimiques n'est pas la même. Ainsi, dans l'azote c'est 334 m/s, dans l'air - 331, dans l'acétylène - 327, dans l'ammoniac - 415, dans l'hydrogène - 1284, dans le méthane - 430, dans l'oxygène - 316, dans l'hélium - 965, dans le monoxyde de carbone - 338, en dioxyde de carbone - 259, en chlore - 206 m/s. La vitesse d'une onde sonore dans les milieux gazeux augmente avec l'augmentation de la température (T) et de la pression. Dans les liquides, elle diminue le plus souvent à mesure que T augmente de plusieurs mètres par seconde. Vitesse du son (m/s) en milieu liquide (à une température de 20°C) :

Eau - 1490 ;

Alcool éthylique - 1180 ;

Benzène - 1324 ;

Mercure - 1453 ;

Tétrachlorure de carbone - 920 ;

Glycérine - 1923.

La seule exception à la règle ci-dessus est l’eau, dans laquelle la vitesse du son augmente avec l’augmentation de la température. Elle atteint son maximum lorsque ce liquide est chauffé à 74°C. Avec une nouvelle augmentation de la température, la vitesse du son diminue. À mesure que la pression augmente, elle augmentera de 0,01 %/1 Atm. Dans l’eau de mer salée, à mesure que la température, la profondeur et la salinité augmentent, la vitesse du son augmente. Dans d'autres environnements, cet indicateur évolue différemment. Ainsi, dans un mélange de liquide et de gaz, la vitesse du son dépend de la concentration de ses composants. Dans un solide isotopique, elle est déterminée par sa densité et ses modules d'élasticité. Les ondes élastiques transversales (cisaillement) et longitudinales se propagent dans des milieux denses non confinés. Vitesse du son (m/s) dans les solides (ondes longitudinales/transversales) :

Verre - 3460-4800/2380-2560 ;

Quartz fondu - 5970/3762 ;

Béton - 4200-5300/1100-1121 ;

Zinc-4170-4200/2440 ;

Téflon - 1340/* ;

Fer à repasser - 5835-5950/* ;

Or - 3200-3240/1200 ;

Aluminium - 6320/3190 ;

Argent - 3660-3700/1600-1690 ;

Laiton - 4600/2080 ;

Nickel-5630/2960.

Dans les ferromagnétiques, la vitesse de l’onde sonore dépend de la force du champ magnétique. Dans les monocristaux, la vitesse d'une onde sonore (m/s) dépend de la direction de sa propagation :

rubis (onde longitudinale) - 11240;
sulfure de cadmium (longitudinal/transversal) - 3580/4500 ;
niobate de lithium (longitudinal) - 7330.

La vitesse du son dans le vide est 0, car il ne se propage tout simplement pas dans un tel milieu.

Détermination de la vitesse du son

Tout ce qui touche aux signaux sonores intéressait nos ancêtres il y a des milliers d’années. Presque tous les scientifiques exceptionnels du monde antique ont travaillé pour déterminer l'essence de ce phénomène. Même les anciens mathématiciens ont établi que le son est provoqué par les mouvements oscillatoires du corps. Euclide et Ptolémée en ont parlé. Aristote a établi que la vitesse du son a une valeur finie. Les premières tentatives pour déterminer cet indicateur ont été faites par F. Bacon au XVIIe siècle. Il a tenté d'établir la vitesse en comparant les intervalles de temps entre le bruit du coup de feu et l'éclair lumineux. Grâce à cette méthode, un groupe de physiciens de l'Académie des sciences de Paris a d'abord déterminé la vitesse d'une onde sonore. Dans diverses conditions expérimentales, elle était de 350 à 390 m/s. La justification théorique de la vitesse du son a été envisagée pour la première fois par I. Newton dans ses « Principes ». P.S. a pu déterminer correctement cet indicateur. Laplace.

Formules de vitesse du son

Pour les milieux gazeux et liquides dans lesquels le son se propage, en règle générale, de manière adiabatique, le changement de température associé à la tension et à la compression dans une onde longitudinale ne peut pas s'égaliser rapidement sur une courte période de temps. Évidemment, cet indicateur est influencé par plusieurs facteurs. La vitesse d'une onde sonore dans un milieu gazeux ou liquide homogène est déterminée par la formule suivante :

où β est la compressibilité adiabatique, ρ est la densité du milieu.

En dérivées partielles, cette quantité est calculée selon la formule suivante :

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

où ρ, T, υ - la pression du milieu, sa température et son volume spécifique ; S - entropie ; Cp - capacité thermique isobare ; Cυ - capacité thermique isochore. Pour les gaz, cette formule ressemblera à ceci :

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

où ζ est la valeur adiabatique : 4/3 pour les gaz polyatomiques, 5/3 pour les gaz monoatomiques, 7/5 pour les gaz diatomiques (air) ; R - constante de gaz (universelle); T - température absolue, mesurée en kelvins ; k est la constante de Boltzmann ; t - température en °C ; M - masse molaire ; m - poids moléculaire ; ά 2 = ζR/ M.

Détermination de la vitesse du son dans un solide

Dans un solide homogène, il existe deux types d'ondes qui diffèrent par la polarisation des vibrations par rapport à la direction de leur propagation : transversale (S) et longitudinale (P). La vitesse du premier (C S) sera toujours inférieure à celle du second (C P) :

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

C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

où K, E, G - compression, Young, modules de cisaillement ; v - Coefficient de Poisson. Lors du calcul de la vitesse du son dans un solide, des modules élastiques adiabatiques sont utilisés.

Vitesse du son dans les milieux multiphasés

Dans les milieux multiphasés, en raison de l’absorption inélastique de l’énergie, la vitesse du son dépend directement de la fréquence de vibration. Dans un milieu poreux diphasique, elle est calculée à l'aide des équations de Bio-Nikolaevsky.

Conclusion

La mesure de la vitesse d'une onde sonore permet de déterminer diverses propriétés de substances, telles que le module d'élasticité d'un solide, la compressibilité des liquides et des gaz. Une méthode sensible pour détecter les impuretés consiste à mesurer de petits changements dans la vitesse des ondes sonores. Dans les solides, la fluctuation de cet indicateur permet d'étudier la structure de bande des semi-conducteurs. La vitesse du son est une grandeur très importante dont la mesure permet d'en apprendre beaucoup sur une grande variété de milieux, corps et autres objets de recherche scientifique. Sans la capacité de le déterminer, de nombreuses découvertes scientifiques seraient impossibles.

Vitesse du son- la vitesse de propagation des ondes élastiques dans un milieu : aussi bien longitudinale (dans les gaz, liquides ou solides) que transversale, cisaillement (dans les solides). Elle est déterminée par l'élasticité et la densité du milieu : en règle générale, la vitesse du son dans les gaz est inférieure à celle des liquides, et dans les liquides elle est inférieure à celle des solides. De plus, dans les gaz, la vitesse du son dépend de la température d'une substance donnée, dans les monocristaux - de la direction de propagation des ondes. Cela ne dépend généralement pas de la fréquence de l'onde et de son amplitude ; dans les cas où la vitesse du son dépend de la fréquence, on parle de dispersion sonore.

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Déjà chez des auteurs anciens, il est indiqué que le son est provoqué par le mouvement oscillatoire du corps (Ptolémée, Euclide). Aristote note que la vitesse du son a une valeur finie et imagine correctement la nature du son. Les tentatives visant à déterminer expérimentalement la vitesse du son remontent à la première moitié du XVIIe siècle. F. Bacon dans le New Organon a souligné la possibilité de déterminer la vitesse du son en comparant les intervalles de temps entre un éclair lumineux et le bruit d'un coup de feu. Grâce à cette méthode, divers chercheurs (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, un groupe de scientifiques de l'Académie des sciences de Paris - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) ont déterminé la valeur de la vitesse du son (selon les conditions expérimentales, 350-390 m/s). Théoriquement, la question de la vitesse du son a été abordée pour la première fois par I. Newton dans ses « Principes ». Newton a en fait supposé que la propagation du son était isotherme et a donc été sous-estimé. La valeur théorique correcte de la vitesse du son a été obtenue par Laplace.

Calcul de la vitesse dans le liquide et le gaz

La vitesse du son dans un liquide (ou gaz) homogène est calculée par la formule :
c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))
En dérivées partielles :
c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ partiel p)(\partial v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (C_(p))(C_(v)))\left((\ frac (\partial p)(\partial v))\right)_(T))))
Où β (\displaystyle \bêta)- compressibilité adiabatique du milieu ; ρ ( displaystyle rho )- densité; C p ( displaystyle C_ (p))- capacité thermique isobare ; Cv (\ displaystyle C_ (v))- capacité thermique isochore ; p (style d'affichage p), v (style d'affichage v), T (style d'affichage T)- pression, volume spécifique et température du milieu ; s (style d'affichage s)- l'entropie du milieu.
Pour les solutions et autres systèmes physiques et chimiques complexes (par exemple, le gaz naturel, le pétrole), ces expressions peuvent donner lieu à une erreur très importante.

Solides

En présence d'interfaces, l'énergie élastique peut être transférée à travers des ondes de surface de différents types, dont la vitesse diffère de la vitesse des ondes longitudinales et transversales. L'énergie de ces oscillations peut être plusieurs fois supérieure à l'énergie des ondes corporelles.