ความเร็วของเสียงคืออะไร

ในชั้นบรรยากาศของโลก ความเร็วของเสียง อยู่ที่ 343 เมตรต่อวินาที หรือหนึ่งกิโลเมตรที่ 2.91 ต่อวินาทีหรือหนึ่งไมล์ที่ 4.69 ต่อวินาที

ความเร็วของเสียงในก๊าซอุดมคตินั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและองค์ประกอบของมันเท่านั้น ความเร็วนั้นขึ้นอยู่กับความถี่และแรงกดดันในอากาศธรรมดาที่อ่อนแรงเบี่ยงเบนไปเล็กน้อยจากพฤติกรรมในอุดมคติ

ความเร็วของเสียงคืออะไร?

โดยปกติแล้วความเร็วของเสียงหมายถึงความเร็วที่คลื่นเสียงเคลื่อนที่ผ่านอากาศ อย่างไรก็ตามความเร็วของเสียงจะแตกต่างกันไปตามสาร ตัวอย่างเช่นเสียงเดินทางช้าลงในก๊าซเดินทางเร็วขึ้นในของเหลวและยิ่งเร็วขึ้นในของแข็ง

หากความเร็วของเสียงอยู่ที่ 343 เมตรต่อวินาทีในอากาศแสดงว่ามันเดินทางที่ 1, 484 เมตรต่อวินาทีในน้ำและอยู่ที่ประมาณ 5, 120 เมตรต่อวินาทีในเหล็ก ในวัสดุที่แข็งเป็นพิเศษเช่นเพชรเช่นเสียงเดินทางที่ 12, 000 เมตรต่อวินาที นี่คือความเร็วสูงสุดที่เสียงสามารถเดินทางได้ภายใต้สภาวะปกติ

คลื่นเสียงในของแข็งประกอบด้วยคลื่นแรงอัดเหมือนในก๊าซและของเหลวและเป็นคลื่นประเภทต่าง ๆ ที่เรียกว่าคลื่นหมุน (rotational wave) มีเฉพาะในของแข็ง คลื่นหมุนในของแข็งมักจะเดินทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน

ความเร็วของคลื่นการบีบอัดในของแข็งนั้นพิจารณาจากความสามารถในการอัดความหนาแน่นและโมดูลัสตามขวางของความยืดหยุ่นของตัวกลาง ความเร็วของคลื่นหมุนนั้นพิจารณาจากความหนาแน่นและโมดูลัสของความยืดหยุ่นตามขวางของโมดูล

ในไดนามิกฟลูอิดความเร็วของเสียงในตัวกลางของเหลวไม่ว่าจะเป็นแก๊สหรือของเหลวถูกใช้เป็นตัววัดสัมพัทธ์สำหรับความเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง

อัตราส่วนของความเร็วของวัตถุกับความเร็วของแสงในของเหลวเรียกว่าจำนวนมีนาคมของวัตถุ วัตถุที่เคลื่อนที่เร็วกว่า 1 มีนาคมจะเรียกว่าวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหนือเสียง

แนวคิดพื้นฐาน

การส่งสัญญาณเสียงสามารถแสดงได้โดยใช้แบบจำลองซึ่งประกอบด้วยชุดลูกที่เชื่อมต่อกันด้วยสายไฟ

ในชีวิตจริงลูกเป็นตัวแทนของโมเลกุลและเกลียวแสดงถึงการเชื่อมโยงระหว่างพวกเขา เสียงผ่านรูปแบบการบีบอัดและขยายสายไฟส่งพลังงานไปยังลูกบอลที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งจะส่งพลังงานไปยังเกลียวของพวกเขาและอื่น ๆ

ความเร็วของเสียงผ่านแบบจำลองนั้นขึ้นอยู่กับความแข็งของเกลียวและมวลของลูกบอล

ตราบใดที่ช่องว่างระหว่างลูกบอลคงที่เกลียวแข็งก็จะส่งพลังงานเร็วขึ้นและลูกบอลที่มีมวลมากจะส่งพลังงานช้ากว่า เอฟเฟกต์เช่นการกระเจิงและการสะท้อนยังสามารถเข้าใจได้กับโมเดลนี้

ในวัสดุจริงใด ๆ ความแข็งของเกลียวเรียกว่าโมดูลัสยืดหยุ่นและมวลสอดคล้องกับความหนาแน่น หากสิ่งอื่น ๆ เท่ากันเสียงจะเดินทางช้าลงในวัสดุที่เป็นรูพรุนและเร็วขึ้นในวัสดุที่แข็ง

ตัวอย่างเช่นเสียงเดินทางเร็วกว่านิกเกิลถึง 1.59 เท่าเนื่องจากความแข็งของนิกเกิลจะมีความหนาแน่นมากกว่าเดิม

ในทำนองเดียวกันเสียงเดินทางเร็วกว่า 1.41 เท่าในก๊าซไฮโดรเจนที่มีน้ำหนักเบา (protium) มากกว่าในก๊าซไฮโดรเจนหนัก (ดิวเทอเรียม) เนื่องจากก๊าซหนักมีคุณสมบัติคล้ายกัน แต่มีความหนาแน่นเป็นสองเท่า

ในเวลาเดียวกันเสียง "ชนิดบีบอัด" จะเดินทางได้เร็วขึ้นในของแข็งมากกว่าของเหลวและเดินทางเร็วขึ้นในของเหลวมากกว่าในก๊าซ

ผลกระทบนี้เกิดจากความจริงที่ว่าของแข็งมีความยากลำบากในการบีบอัดมากกว่าของเหลวในขณะที่ในทางกลับกันของเหลวนั้นมีความยากในการบีบอัดมากกว่าก๊าซ

คลื่นอัดและคลื่นหมุน

ในก๊าซหรือของเหลวเสียงประกอบด้วยคลื่นอัด ในของแข็งคลื่นจะแพร่กระจายผ่านคลื่นสองประเภทที่แตกต่างกัน คลื่นตามยาวนั้นสัมพันธ์กับการบีบอัดและการบีบอัดในทิศทางของการเคลื่อนที่ มันเป็นกระบวนการเดียวกันในก๊าซและของเหลวที่มีคลื่นแรงอัดแบบแอนะล็อกในของแข็ง

มีเพียงคลื่นอัดเท่านั้นที่มีอยู่ในก๊าซและของเหลว คลื่นประเภทเพิ่มเติมที่เรียกว่าคลื่นตามขวางหรือคลื่นหมุนเกิดขึ้นในของแข็งเท่านั้นเนื่องจากของแข็งเท่านั้นที่สามารถทนต่อการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น

นี่เป็นเพราะการเสียรูปแบบยืดหยุ่นของตัวกลางนั้นตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น ทิศทางของการหมุนผิดรูปเรียกว่าโพลาไรเซชันของคลื่นประเภทนี้ โดยทั่วไปคลื่นตามขวางจะเกิดขึ้นในรูปของโพลาไรซ์ออร์โธนอน

คลื่นประเภทต่าง ๆ เหล่านี้สามารถมีความเร็วแตกต่างกันที่ความถี่เดียวกัน ดังนั้นพวกเขาสามารถเข้าถึงผู้สังเกตการณ์ในเวลาที่ต่างกัน ตัวอย่างของสถานการณ์นี้เกิดขึ้นในแผ่นดินไหวที่คลื่นการบีบอัดแบบเฉียบพลันมาถึงก่อนและคลื่นตามขวางที่มาถึงไม่กี่วินาทีในภายหลัง

ความเร็วในการบีบอัดของคลื่นในของเหลวนั้นพิจารณาจากความสามารถในการอัดและความหนาแน่นของตัวกลาง

ในของแข็งคลื่นแรงอัดนั้นคล้ายคลึงกับที่พบในของเหลวขึ้นอยู่กับความสามารถในการอัดความหนาแน่นและปัจจัยเพิ่มเติมของโมดูลัสตามแนวขวางของความยืดหยุ่น

ความเร็วของคลื่นหมุนซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในของแข็งจะถูกกำหนดโดยโมดูลัสตามแนวขวางของความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของโมดูล