Straipsnyje nagrinėjamos garso reiškinių atmosferoje charakteristikos: garso sklidimo ore greitis, vėjo ir rūko įtaka garso sklidimui.
Išilginiai medžiagos dalelių virpesiai, sklindantys per materialią terpę (orą, vandenį ir kietąsias medžiagas) ir pasiekiantys žmogaus ausį, sukelia pojūčius, vadinamus garsu.
Atmosferos ore visada yra įvairaus dažnio ir stiprumo garso bangos. Dalį šių bangų dirbtinai sukuria žmonės, o dalis garsų yra meteorologinės kilmės.
Meteorologinės kilmės garsai yra griaustinis, vėjo kaukimas, laidų ūžesys, medžių triukšmas ir ošimas, jūros „balsas“, žemės paviršiumi krintančių kietų ir skystų kritulių garsai, naršyti prie jūrų ir ežerų krantų ir kt.
Garso sklidimo atmosferoje greičiui įtakos turi oro temperatūra ir drėgmė, taip pat vėjas (kryptis ir jo stiprumas). Vidutinis garso greitis atmosferoje yra 333 m/s. Kylant oro temperatūrai, garso greitis šiek tiek padidėja. Absoliučios oro drėgmės pokyčiai turi mažesnę įtaką garso greičiui.
Garso greitis ore nustatomas pagal Laplaso formulę:
(1),
čia p yra slėgis; ? - oro tankis; c? - pastovaus slėgio oro šiluminė talpa; cp yra pastovaus tūrio oro šiluminė talpa.
Naudojant dujų būsenos lygtį, galima gauti daugybę garso greičio priklausomybių nuo meteorologinių parametrų.
Garso greitis sausame ore nustatomas pagal formulę:
c0 = 20,1 ?T m/s, (2)
ir drėgname ore:
с0 = 20,1 ?ТВ m/s, (3)
kur TV = vadinamoji akustinė virtuali temperatūra, kuri nustatoma pagal formulę TV = T (1+ 0,275 e/p).
Oro temperatūrai pasikeitus 1°, garso greitis pasikeičia 0,61 m/s. Garso greitis priklauso nuo santykio e/p (drėgmės ir slėgio santykio) reikšmės, tačiau ši priklausomybė nedidelė ir, pavyzdžiui, kai vandens garų elastingumas mažesnis nei 7 mm, jo nepaisant gaunamas garso greičio paklaida ne didesnė kaip 0,5 m/sek.
Esant normaliam slėgiui ir T = 0 °C, garso greitis sausame ore yra 333 m/sek. Drėgname ore garso greitį galima nustatyti pagal formulę:
c = 333 + 0,6 t + 0,07 e (4)
Temperatūros diapazone (t) nuo -20° iki +30° ši formulė suteikia garso greičio paklaidą ne didesnę kaip ± 0,5 m/sek. Iš aukščiau pateiktų formulių aišku, kad garso greitis didėja didėjant temperatūrai ir oro drėgmei.
Vėjas turi stiprią įtaką: garso greitis vėjo kryptimi didėja, prieš vėją – mažėja. Vėjo buvimas atmosferoje sukelia garso bangos dreifą, todėl susidaro įspūdis, kad garso šaltinis pasislinko. Garso greitis šiuo atveju (c1) nustatomas pagal išraišką:
c1 = c + U cos?, (1)
kur U yra vėjo greitis; ? — kampas tarp vėjo krypties stebėjimo taške ir stebimos garso sklidimo krypties.
Garso sklidimo atmosferoje greičio žinojimas yra labai svarbus sprendžiant daugybę problemų tiriant viršutinius atmosferos sluoksnius akustiniu metodu. Naudodami vidutinį garso greitį atmosferoje galite sužinoti atstumą nuo savo vietos iki taško, kur griaustinis. Norėdami tai padaryti, turite nustatyti sekundžių skaičių nuo matomo žaibo blyksnio iki griaustinio garso. Tada reikia padauginti vidutinį garso greitį atmosferoje – 333 m/sek. už gautą sekundžių skaičių.
Garso greitis- tampriųjų bangų sklidimo greitis terpėje: tiek išilginis (dujose, skysčiuose ar kietosiose medžiagose), tiek skersinis, šlyties (kietose medžiagose). Jį lemia terpės elastingumas ir tankis: kaip taisyklė, garso greitis dujose yra mažesnis nei skysčiuose, o skysčiuose – mažesnis nei kietose medžiagose. Taip pat dujose garso greitis priklauso nuo tam tikros medžiagos temperatūros, monokristaluose – nuo bangos sklidimo krypties. Paprastai nepriklauso nuo bangos dažnio ir jos amplitudės; tais atvejais, kai garso greitis priklauso nuo dažnio, kalbame apie garso sklaidą.
Enciklopedinis „YouTube“.
-
1 / 5
Jau senovės autoriuose yra nuoroda, kad garsą sukelia svyruojantis kūno judėjimas (Ptolemėjus, Euklidas). Aristotelis pažymi, kad garso greitis turi baigtinę reikšmę, ir teisingai įsivaizduoja garso prigimtį. Bandymai eksperimentiškai nustatyti garso greitį siekia XVII amžiaus pirmąją pusę. F. Baconas knygoje „New Organon“ atkreipė dėmesį į galimybę nustatyti garso greitį, lyginant laiko intervalus tarp šviesos blyksnio ir šūvio garso. Šiuo metodu įvairūs tyrinėtojai (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, grupė mokslininkų iš Paryžiaus mokslų akademijos – D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) nustatė garso greičio reikšmę. (priklausomai nuo eksperimento sąlygų, 350- 390 m/s). Teoriškai garso greičio klausimą pirmasis nagrinėjo I. Niutonas savo „Principuose“. Niutonas iš tikrųjų manė, kad garso sklidimas yra izoterminis, todėl buvo neįvertintas. Laplasas gavo teisingą teorinę garso greičio vertę.
Greičio apskaičiavimas skystyje ir dujose
Garso greitis vienalyčiame skystyje (arba dujose) apskaičiuojamas pagal formulę:
c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))Daliniuose dariniuose:
c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\)) dalinis p)(\dalinis v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (C_(p))(C_(v)))\left((\) frac (\dalinis p)(\dalinis v))\right)_(T))))Kur β (\displaystyle \beta )- adiabatinis terpės suspaudžiamumas; ρ (\displaystyle \rho )- tankis; C p (\displaystyle C_(p))- izobarinė šiluminė talpa; C v (\displaystyle C_(v))- izochorinė šiluminė talpa; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- terpės slėgis, specifinis tūris ir temperatūra; s (\displaystyle s)- terpės entropija.
Tirpalams ir kitoms sudėtingoms fizinėms ir cheminėms sistemoms (pavyzdžiui, gamtinėms dujoms, naftai) šios išraiškos gali duoti labai didelę paklaidą.
Kietosios medžiagos
Esant sąsajoms, tamprioji energija gali būti perduodama įvairių tipų paviršinėmis bangomis, kurių greitis skiriasi nuo išilginių ir skersinių bangų greičio. Šių virpesių energija gali būti daug kartų didesnė už kūno bangų energiją.
Stebėtojas naudojo laikrodį, kad pastebėtų laiką, praėjusį nuo blykstės pasirodymo iki momento, kai pasigirdo garsas. Laikas, per kurį šviesa nukeliaudavo šį atstumą, buvo nepaisoma. Siekiant kuo labiau pašalinti vėjo įtaką, kiekvienoje pusėje buvo po patranką ir po stebėtoją, kiekviena pabūkla šaudė maždaug tuo pačiu metu.
Buvo paimta dviejų laiko matavimų vidutinė vertė ir ja pagrįsta. Paaiškėjo, kad jis yra maždaug lygus 340 ms -1. Didelis šio matavimo metodo trūkumas buvo tas, kad ginklas ne visada buvo po ranka!
Daugelis egzaminuojamųjų aprašo panašų metodą. Vienas studentas stovi vienoje futbolo aikštės pusėje su starto pistoletu, o kitas – kitoje pusėje su chronometru. Atstumas tarp jų kruopščiai išmatuojamas matavimo juosta. Mokinys paleidžia chronometrą, kai pamato iš statinės sklindančius dūmus, ir sustabdo, kai išgirsta garsą. Tas pats daroma, kai jie keičia vietas, kad kompensuotų vėjo poveikį. Tada nustatomas vidutinis laikas.
Kadangi garsas sklinda 340 ms -1 greičiu, chronometras greičiausiai nebus pakankamai tikslus. Pageidautina veikti centisekundėmis arba milisekundėmis.
Garso greičio matavimas naudojant aidą
Kai pasigirsta trumpas aštrus garsas, pavyzdžiui, plojimas, bangos impulsą gali atspindėti didelė kliūtis, pavyzdžiui, siena, ir išgirsti stebėtojas. Šis atspindėtas impulsas vadinamas aidu. Įsivaizduokime, kad žmogus stovi 50 m atstumu nuo sienos ir vieną kartą ploja. Kai pasigirsta aidas, garsas nukeliavo 100 m Matuojant šį intervalą chronometru nebus labai tikslu. Tačiau jei antrasis asmuo laiko chronometrą, o pirmasis ploja, tuomet galima pakankamai tiksliai nustatyti daug aido garsų.
Tarkime, kad atstumas, kuriuo plojantis žmogus yra prieš sieną, yra 50 m, o laiko intervalas tarp pirmojo ir šimto pirmojo plojimo yra 30 s, tada:
garso greitis= nuvažiuotas atstumas / vieno plakimo laikas = 100 m: 30 / 100 s = 333 ms -1
Garso greičio matavimas naudojant osciloskopą
Sudėtingesnis būdas tiesiogiai išmatuoti garso greitį yra naudoti osciloskopą. Garsiakalbis reguliariais intervalais skleidžia impulsus ir juos registruoja katodinių spindulių osciloskopas (žr. pav.). Kai mikrofonas gauna impulsą, jį taip pat įrašys osciloskopas. Jei žinomos osciloskopo laiko charakteristikos, galima rasti laiko intervalą tarp dviejų impulsų.Matuojamas atstumas tarp garsiakalbio ir mikrofono. Garso greitį galima rasti naudojant formulę greitis = atstumas / laikas.
Garso greitis įvairiose laikmenose
Garso greitis kietose medžiagose yra didesnis nei skysčiuose ir didesnis skysčiuose nei dujose. Ankstesni eksperimentai Ženevos ežere parodė, kad garso greitis vandenyje yra žymiai didesnis nei ore. Gėlavame vandenyje garso greitis yra 1410 ms -1, jūros vandenyje - 1540 ms -1. Geležyje garso greitis yra maždaug 5000 ms -1.
Siunčiant garso signalus ir pažymint laiko intervalą iki atsispindėjusio signalo (aido) atvykimo, galima nustatyti jūros gylį ir žuvų būrių išsidėstymą. Karo metu minoms aptikti buvo naudojami aukšto dažnio zondai. Skrydžio metu šikšnosparniai kliūtims aptikti naudoja specialią aido formą. Šikšnosparnis skleidžia aukšto dažnio garsą, kuris atsimuša į jo kelyje esantį objektą. Pelė girdi aidą, nustato objekto vietą ir jo vengia.
Garso greitis ore priklauso nuo atmosferos sąlygų. Garso greitis yra proporcingas slėgio kvadratinei šaknei, padalytai iš tankio. Slėgio pokyčiai neturi įtakos garso greičiui ore. Taip yra todėl, kad padidėjus slėgiui atitinkamai padidėja tankis, o slėgio ir tankio santykis išlieka pastovus.
Garso greitį ore (kaip ir bet kuriose dujose) įtakoja temperatūros pokyčiai. Dujų dėsniai rodo, kad slėgio ir tankio santykis yra proporcingas . Taigi garso greitis yra proporcingas √T. Dideliame aukštyje garso barjerą lengviau pralaužti, nes ten žemesnė temperatūra.
Garso greičiui įtakos turi drėgmės pokyčiai. Vandens garų tankis yra mažesnis už sauso oro tankį esant tokiam pačiam slėgiui. Naktį, kai pakyla drėgmė, garsas sklinda greičiau. Tylią, miglotą naktį garsai girdimi aiškiau.
Taip yra iš dalies dėl padidėjusios drėgmės, o iš dalies dėl to, kad tokiomis sąlygomis paprastai vyksta temperatūros inversija, kai garsai lūžta taip, kad jie neišsisklaido.
GARSO GREITIS- tampriosios bangos sklidimo terpėje greitis. Nustatomas pagal terpės elastingumą ir tankį. Skirtas bėgimui nekeičiant formos su greičiu Su ašies kryptimi X, garso slėgis r gali būti pavaizduotas formoje p = p(x - - ct), Kur t- laikas. Dėl plokštumos harmonijos bangos terpėje be dispersijos ir SZ. išreikštas dažniu w ir k Floy c = w/k. Su greičiu Su harmoninė fazė sklinda. bangos, taigi Su paskambino taip pat fazė S. z. Terpėse, kuriose sklidimo metu keičiasi savavališkos bangos forma, harmoninė. bangos vis dėlto išlaiko savo formą, tačiau fazės greitis skirtingiems dažniams pasirodo skirtingas, t.y. garso sklaida.Šiais atvejais taip pat vartojama sąvoka grupės greitis. Esant didelėms amplitudėms, atsiranda netiesiniai efektai (žr. Netiesinė akustika), dėl kurių pasikeičia bet kokios bangos, įskaitant harmonines: kiekvieno bangos profilio taško sklidimo greitis priklauso nuo slėgio šiame taške, didėjant slėgiui, o tai lemia bangos formos iškraipymą.
Garso greitis dujose ir skysčiuose. Dujose ir skysčiuose garsas sklinda tūrinių suspaudimo-iškrovimo bangų pavidalu. Jei sklidimo procesas vyksta adiabatiškai (taip, kaip taisyklė), t.y., garso bangos temperatūros pokytis nespėja išsilyginti net ir po to, kai 1 / 2 , periodas šiluma iš šildomų (suspaustų) zonų nespėja persikelti į šaltas (retinamas) zonas, tada S. z. lygus
, Kur R yra medžiagos slėgis, jos tankis ir indeksas s rodo, kad išvestinė imama esant pastoviai entropijai. Šis S. z. paskambino adiabatinis. Išraiška S. z. taip pat gali būti parašytas viena iš šių formų: Kur KAM pragaras – adiabatinis. tolygios medžiagos suspaudimo modulis, – adiabatinis. suspaudžiamumas,
- izoterminis gniuždomumas, = - pastovaus slėgio ir tūrio šiluminių pajėgumų santykis.Ribotose kietosiose medžiagose, be išilginių ir skersinių bangų, yra ir kitų tipų bangos. Taigi, išilgai laisvo kieto kūno paviršiaus arba išilgai jo ribos su kita terpe, jie plinta paviršines akustines bangas, kurio greitis yra mažesnis už tam tikrai medžiagai būdingų kūno bangų greitį. Plokštėms, strypams ir kitoms kietoms akustinėms medžiagoms. bangolaidžiai yra būdingi normalios bangos Kurio greitį lemia ne tik medžiagos savybės, bet ir kūno geometrija. Taigi, pavyzdžiui, S. z. išilginei bangai strypelyje su st, kurio skersiniai matmenys yra daug mažesni už garso bangos ilgį, skiriasi nuo S. z. nevaržomoje aplinkoje su l(3 lentelė):
S.z matavimo metodai. Galima suskirstyti į rezonansinius, interferometrinius, impulsinius ir optinius (žr. Šviesos difrakcija ultragarsu).Naib. Matavimo tikslumas pasiekiamas naudojant impulsinės fazės metodus. Optinis metodai leidžia išmatuoti S. z. esant hipergarsiniams dažniams (iki 10 11 -10 12 Hz). Tikslumas abs. išmatavimai S. z. ant geriausios įrangos apytiksl. 10 -3%, o tikslumas yra santykinis. 10–5% matavimai (pavyzdžiui, tiriant priklausomybę Su dėl temperatūros arba magnetinio laukai arba priemaišų ar defektų koncentracija).
S. z išmatavimai. naudojami daugiskaitoms apibrėžti. medžiagos savybės, tokios kaip dujų šiluminės talpos santykis, dujų ir skysčių suspaudžiamumas, kietųjų medžiagų tamprumo moduliai, Debye temperatūra ir kt. (žr. Molekulinė akustika). S. z nedidelių pakitimų nustatymas. yra jautrus. priemaišų fiksavimo dujose ir skysčiuose metodas. Kietosiose medžiagose S. z matavimas. ir jo priklausomybė nuo skirtingų faktoriai (temperatūra, magnetiniai laukai ir kt.) leidžia tirti materijos sandarą: puslaidininkių juostų sandarą, Fermio paviršiaus struktūrą metaluose ir kt.
Lit.: Landau L. D., L i f sh i c E. M., Elastingumo teorija, 4 leidimas, M., 1987; juos, Hidrodinamika, 4 leidimas, M., 1988; Bergman L. ir jo taikymas moksle ir technikoje, vert. iš vokiečių k., 2 leid., M., 1957 m.; Michailovas I. G., Solovjovas V. A., Syrnikovas J. P., Molekulinės akustikos pagrindai, M., 1964 m. Garso greičio jūros vandenyje skaičiavimo lentelės, L., 1965; Fizinė akustika, red. W. Masonas, vert. iš anglų k., t. 1, A dalis, M., 1966, sk. 4; t 4, B dalis, M., 1970, sk. 7; Kolesnikov A.E., Ultragarsiniai matavimai, 2 leidimas, M., 1982; T r u e l l R., E l b a u m Ch., Ch i k B., Ultragarsiniai metodai kietojo kūno fizikoje, vert. iš anglų k., M., 1972; Akustiniai kristalai, red. M. P. Shaskolskoy, M., 1982; Krasilnikovas V.A., Krylovas V.V., Įvadas į fizinę akustiką, M., 1984 m. A. L. Polyakova.
Šiandien daugelis naujakurių, įrengdami butą, yra priversti atlikti papildomus darbus, tarp jų ir namų garso izoliaciją, nes... Naudojamos standartinės medžiagos leidžia tik iš dalies paslėpti tai, kas vyksta nuosavame būste, o ne prieš jūsų valią domėtis kaimynų bendravimu.
Kietose medžiagose jį veikia bent jau bangai atsparios medžiagos tankis ir elastingumas. Todėl, įrengiant patalpas, sluoksnis, esantis prie laikančiosios sienos, yra izoliuotas nuo garso su „persidengimais“ viršuje ir apačioje. Tai leidžia kartais sumažinti decibelus daugiau nei 10 kartų. Tada klojami bazalto kilimėliai, o ant viršaus dedami gipso kartono lakštai, kurie atspindi garsą į išorę iš buto. Kai garso banga „atskrenda“ į tokią struktūrą, ji susilpnėja izoliatoriaus sluoksniuose, kurie yra poringi ir minkšti. Jei garsas stiprus, jį sugeriančios medžiagos gali net įkaisti.
Elastinės medžiagos, tokios kaip vanduo, mediena, metalai, gerai praleidžia, todėl girdime gražų muzikos instrumentų „dainavimą“. O kai kurios tautos praeityje nulemdavo, pavyzdžiui, raitelių požiūrį, prikišdamos ausį prie žemės, kuri taip pat gana elastinga.
Garso greitis km priklauso nuo terpės, kurioje jis sklinda, savybių. Visų pirma, procesą gali paveikti jo slėgis, cheminė sudėtis, temperatūra, elastingumas, tankis ir kiti parametrai. Pavyzdžiui, plieno lakšte garso banga sklinda 5100 metrų per sekundę greičiu, stikle – apie 5000 m/s, medienoje ir granite – apie 4000 m/s. Norėdami konvertuoti greitį į kilometrus per valandą, turite padauginti skaičius iš 3600 (sekundžių per valandą) ir padalyti iš 1000 (metrai per valandą).
Garso greitis km vandens aplinkoje skiriasi skirtingo druskingumo medžiagoms. Gėlui vandeniui 10 laipsnių Celsijaus temperatūroje jis yra apie 1450 m/s, o 20 laipsnių Celsijaus ir tokio pat slėgio jau apie 1490 m/s.
Sūriai aplinkai būdingas akivaizdžiai didesnis garso virpesių greitis.
Garso sklidimas ore priklauso ir nuo temperatūros. Kai šio parametro reikšmė yra 20, garso bangos sklinda maždaug 340 m/s greičiu, tai yra apie 1200 km/h. O esant nuliui laipsnių greitis sulėtėja iki 332 m/s. Grįžtant prie mūsų buto izoliatorių, galime sužinoti, kad tokioje medžiagoje kaip kamštiena, kuri dažnai naudojama išorinio triukšmo lygiui sumažinti, garso greitis km siekia tik 1800 km/h (500 metrų per sekundę). Tai dešimt kartų mažesnė už šią plieninių dalių charakteristiką.
Garso banga yra išilginė terpės, kurioje ji sklinda, virpesiai. Kai, pavyzdžiui, muzikos kūrinio melodija pereina per kokią nors kliūtį, jos garsumo lygis sumažėja, nes kinta tuo pačiu dažnis išlieka toks pat, ko dėka girdime moters balsą kaip moters, o vyro – kaip vyro. Įdomiausia vieta, kur garso greitis km yra artimas nuliui. Tai vakuumas, kuriame tokio tipo bangos beveik nesklinda. Norėdami parodyti, kaip tai veikia, fizikai po gaubtu, iš kurio išpumpuojamas oras, padeda skambantį žadintuvą. Kuo plonesnis oras, tuo tyliau girdisi varpas.
