какая скорость распространения звука в воде
Скорость звука
Из Википедии — свободной энциклопедии
| 0 °C, 101325 Па | м/с | км/ч |
|---|---|---|
| Азот | 334 | 1202,4 |
| Аммиак | 415 | 1494,0 |
| Ацетилен | 327 | 1177,2 |
| Водород | 1284 | 4622,4 |
| Воздух | 331 | 1191,6 |
| Гелий | 965 | 3474,0 |
| Кислород | 316 | 1137,6 |
| Метан | 430 | 1548,0 |
| Угарный газ | 338 | 1216,8 |
| Неон | 435 | 1566,0 |
| Углекислый газ | 259 | 932,4 |
| Хлор | 206 | 741,6 |
| Жидкости | ||
| Вода | 1403 | 5050,8 |
| Ртуть | 1383 | 4978,0 |
| Твёрдые тела | ||
| Алмаз | 12000 | 43200,0 |
| Железо | 5950 | 21420,0 |
| Золото | 3240 | 11664,0 |
| Литий | 6000 | 21600,0 |
| Стекло | 4800 | 17280,0 |
Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде: как продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах).
Определяется упругостью и плотностью среды: как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях — меньше, чем в твёрдых телах. Также в газах скорость звука зависит от температуры данного вещества, в монокристаллах — от направления распространения волны.
Обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды; в тех случаях, когда скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука.
Звук (звуковые волны). Скорость звука.
Для распространения звука необходима упругая среда. В вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться. В этом можно убедиться на простом опыте. Если поместить под стеклянный колокол электрический звонок, то по мере выкачивания из-под колокола воздуха звук от звонка будет становиться все слабее и слабее, пока не прекратится совсем.
Известно, что во время грозы мы видим вспышку молнии и лишь через некоторое время слышим раскаты грома. Это запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе значительно меньше скорости света, идущего от молнии.
Скорость звука в воздухе впервые была измерена в 1636 г. французским ученым М. Мерсенном. При температуре 20 °С она равна 343 м/с, т. е. 1235 км/ч. Заметим, что именно до такого значения уменьшается на расстоянии 800 м скорость пули, вылетевшей из автомата Калашникова. Начальная скорость пули 825 м/с, что значительно превышает скорость звука в воздухе. Поэтому человек, услышавший звук выстрела или свист пули, может не беспокоиться: эта пуля его уже миновала. Пуля обгоняет звук выстрела и достигает своей жертвы до того, как приходит этот звук.
Скорость звука в газах зависит от температуры среды: с увеличением температуры воздуха она возрастает, а с уменьшением — убывает. При 0 °С скорость звука в воздухе составляет 332 м/с.
В разных газах звук распространяется с разной скоростью. Чем больше масса молекул газа, тем меньше скорость звука в нем. Так, при температуре 0 °С скорость звука в водороде составляет 1284 м/с, в гелии — 965 м/с, а в кислороде — 316 м/с.
Скорость звука в твердых телах больше, чем в жидкостях и газах. Если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса слышно два звука. Один из них достигает уха по рельсу, другой — по воздуху.
Хорошей проводимостью звука обладает земля. Поэтому в старые времена при осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землей, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет. Прикладывая ухо к земле, также следили за приближением вражеской конницы.
Твердые тела хорошо проводят звук. Благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.
Скорость звука можно определить, зная длину волны и частоту (или период) колебаний:
Разгадана тайна быстрого звука в воде
Эксперименты итальянских физиков позволили наконец-то дать окончательное объяснение явлению быстрого звука в воде. Из двух существующих сегодня теорий — вискоэластичной и двухкомпонентной — эти эксперименты подтвердили первую и опровергли вторую.
В обычных условиях скорость звука в воде составляет примерно 1,5 километра в секунду и не зависит от частоты звуковой волны. Однако уже давно известно, что ультразвуковые колебания с частотой несколько терагерц (1 терагерц = 10 12 Гц) распространяются в воде со скоростью примерно вдвое большей. Это явление было открыто экспериментально 20 лет назад, намеки на него появлялись и при численном моделировании динамики воды на атомарном уровне, но несмотря на всё это общепринятого его объяснения до сих пор не было. Только сейчас, благодаря экспериментам итальянских физиков, опубликованных в статье S. C. Santucci et al., Physical Review Letters, 97, 225701 (27 November 2006), в природе этого явления расставлены все точки над «i» (статья доступна также на сайте авторов, PDF, 274 Кб).
Сразу стоит подчеркнуть, что опыты со столь высокочастотным ультразвуком ставить очень непросто. Акустические излучатели в этом диапазоне пока не придуманы, и потому физикам приходится определять скорость такого ультразвука косвенными методами. Для этого воду облучают потоком нейтронов или рентгеновских лучей, которые, сталкиваясь с молекулами воды, порождают в микроскопическом объемчике быстрые колебания и передают им часть своей энергии и импульса. Из соотношения этих двух величин и выводится скорость распространения звуковых колебаний.
На сегодня существует две основных теории, претендующих на объяснение этого явления. В соответствии с первой, для звука всё более высокой частоты вода становится всё более упругой и всё менее подвижной средой (такие среды называются вискоэластиками). В результате колебания с такой высокой частотой распространяются скорее через упругую, почти твердую среду, а в твердом теле скорость звука выше, чем в жидкости (скорость звука во льду, например, как раз и составляет примерно 3 км/сек).
Вторая теория основана на том факте, что вода состоит из переплетенной сети ионов двух типов: очень легких ионов водорода и тяжелых ионов кислорода. Вычисления показывают, что часто в таких двухкомпонентных средах с сильно различающимися массами существует специальный тип быстрых звуковых волн, которые распространяются исключительно через сеть легких атомов. Эта теория уже хорошо себя зарекомендовала для описания быстрого звука в двухкомпонентных газах и металлических сплавах, и потому кажется естественным, что она будет работать и для воды.
Обе эти модели, разумеется, согласуются с описанными выше экспериментами, однако они совершенно по-разному описывают переход от нормального звука к быстрому, который должен происходить при меньших частотах, в гигагерцевом диапазоне. Поэтому для ответа на вопрос, какая из двух моделей верна, требуется измерить зависимость скорости звука от частоты в этой промежуточной области. Дополнительная сложность такого эксперимента состоит в том, что наиболее четко переход от нормального к быстрому звуку проявляется в очень холодной и даже переохлажденной воде (то есть ниже нуля градусов Цельсия). Эксперименты с переохлажденной водой требуют сноровки, поскольку при малейшем возмущении она быстро кристаллизуется.
Именно этот опыт и поставили итальянские физики. Изучая рассеяние оптических и ультрафиолетовых фотонов, они смогли просканировать частотный диапазон звуковых колебаний от 1 до 100 ГГц и впервые получили точные данные о скорости звуковых колебаний в этом диапазоне. Эксперимент абсолютно четко показал, что при повышении частоты (или при понижении температуры) скорость звука действительно постепенно отходит от «нормальной» зависимости и начинает расти (в существовании такого плавного перехода, кстати, мнения тоже разделялись).
Кроме того, авторы статьи сравнили свои данные с предсказаниями обеих моделей и доказали, что эксперимент подтверждает вискоэластичную модель и противоречит выводам двухкомпонентной модели. Таким образом, можно считать, что в многолетнем споре приверженцев двух моделей поставлена точка. В целом же, эта работа лишний раз подчеркивает поразительное разнообразие структурных и динамических свойств воды (для дальнейшего ознакомления см. популярную статью: Ю. И. Головин. Вода и лед — знаем ли мы о них достаточно? // СОЖ, 2000, № 9, с. 66–72).
Какая скорость распространения звука в воде
Настоящие таблицы стандартных справочных данных содержат значения термодинамической скорости распространения звука в нормальной, деаэрированной, дистиллированной (ГОСТ 6709-72) воде при температурах от 0 до 100 °С и при давлениях от атмосферного до 100 МПа.
Таблицы составлены на основе уравнения, полученного в результате статистической обработки массива имеющихся в литературе экспериментальных данных, основу которого составляют значения скорости звука, измеренные в ГП “ВНИИФТРИ” с помощью рабочего эталона нулевого разряда УВТ-90-А-96.
Погрешности табличных значений определены в соответствии с ГОСТ 8.381-80*. Средняя квадратическая погрешность значений скорости звука при атмосферном давлении составляет 0,02 м/с, а величины средней квадратической погрешности значений скорости звука при повышенных давлениях, изменяющиеся в зависимости от температуры и давления от 0,03 до 0,25 м/с, представлены в отдельной таблице.
Применение стандартных справочных данных обязательно во всех отраслях народного хозяйства
Вводная часть
Настоящие таблицы стандартньгх справочных данных содержат значения термодинамической скорости распространения звука в нормальной, деаэрированной, дистиллированной (ГОСТ 6709-72) воде при температурах от 0 до 100 °С и при давлениях от атмосферного до 100 МПа
Уравнение, описывающее зависимость скорости распространения звука от температуры и давления, принятое для построения этих таблиц в предыдущем издании [1], базировалось на совокупности высокоточных и хорошо согласующихся между собой экспериментальных данных для атмосферного давления 5 и данных работ 10 для высоких давлений, признанных наиболее надежными из экспериментальных исследований в этой области параметров, полный список которых приведен в [1]. Несколько позже в 1994 г. автор работы [10] указал на необходимость корректировки приведенных в ней значений и предложил поправочную формулу для диапазона температур от 0 до15 °С и давлений до 100 МПа [11].
В последующие годы в ГП “ВНИИФТРИ” был разработан метод [12,13] и создан рабочий эталон нулевого разряда (УВТ-90-А-96) для воспроизведения единицы скорости звука в дистиллированной воде в диапазоне температур 0-40 °С и избыточных давлений 0-60 МПа. [14]. С помощью него были проведены систематические измерения скорости звука в дистиллированной воде во всей этой области параметров [15]. Полученные значения для атмосферного давления согласуются с величинами [1, 2], а также с полученными несколько позже данными [16], в пределах погрешности эталона. При повышенных давлениях отклонения табличных величин [1] в некоторых местах превышают эту погрешность.
Указанные обстоятельства и введение новой Международной температурной шкалы 1990 г. (МТШ-90) обусловили необходимость корректировки таблиц [1].
В дальнейшем использованы следующие условные обозначения:
– скорость распространения звука в воде, м/с;
– температура, °С (МТШ-90);
;
;
– абсолютная средняя квадратическая погрешность, м/с.
Методическая часть
При разработке настоящих таблиц сохранена структура уравнения, принятая в [1], и часть его, описывающая скорость звука при атмосферном давлении, оставлена такой же, как и в [1], с коррекцией лишь на температурную шкалу МТШ-90. При получении уравнения для области высоких давлений в качестве исходных величин использованы новые данные, полученные в ГП “ВНИИФТРИ” для дистиллированной воды на рабочем эталоне нулевого разряда УВТ-90-А-96 [15], и данные работ [6, 8, 11], относящиеся к температурам и давлениям более высоким, чем исследованы в [15]. После проверки согласованности исходных величин по изотермам и изобарам, им приданы статистические веса, соответствующие погрешностям их экспериментального измерения, и коэффициенты уравнения определены с помощью метода наименьших квадратов с учетом их значимости.
Какая скорость распространения звука в воде
Звук распространяется в воде в пять раз быстрее, чем в воздухе. Средняя скорость равняется 1400 — 1500 м/сек (скорость распространения звука в воздухе 340 м/сек). Казалось бы, что слышимость в воде также улучшается. На самом деле это далеко не так. Ведь сила звука зависит не от скорости распространения, а от амплитуды звуковых колебаний и воспринимающей способности органов слуха. В улитке внутреннего уха расположен кортиев орган, состоящий из слуховых клеток. Звуковые волны колеблят барабанную перепонку, слуховые косточки и мембрану кортиевого органа. От волосяных клеток последнего, воспринимающих звуковые колебания, нервное возбуждение идет в слуховой центр, расположенный в височной доли головного мозга.
Звуковая волна может попасть во внутреннее ухо человека двумя путями: воздушной проводимостью через наружный слуховой проход, барабанную перепонку и слуховые косточки среднего уха и посредством костной проводимости — вибрации костей черепа. На поверхности преобладает воздушная, а под водой костная проводимость. В этом убеждает простой опыт. Закройте ладонями рук оба уха. На поверхности слышимость резко ухудшится, под водой же этого не отмечается.
Итак, под водой звуки воспринимаются преимущественно путем костной проводимости. Теоретически это объясняется тем, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей человека. Поэтому потери энергии при переходе звуковых волн из воды в кости головы человека меньше, чем в воздухе. Воздушная же проводимость под водой почти исчезает, так как наружный слуховой проход заполнен водой, а небольшая прослойка воздуха возле барабанной перепонки слабо передает звуковые колебания.
Опытами установлено, что костная проводимость на 40% ниже воздушной. Поэтому слышимость под водой в общем ухудшается. Дальность слышимости при костной проводимости звука зависит не столько от силы, сколько от тональности: чем выше тон, тем дальше слышен звук.
Звуки, издаваемые под водой, обычно не слышны на поверхности, так же как под водой не слышно звуков извне. Для восприятия подводных звуков необходимо хотя бы частично погрузиться. Если войти в воду по колени, начинаешь воспринимать звук, который до этого не был слышен. По мере погружения громкость увеличивается. Особенно хорошо слышно при погружении головы.
Для подачи звуковых сигналов с поверхности обязательно нужно опустить источник звука в воду хотя бы наполовину, и сила звука изменится. Ориентировка под водой по слуху крайне затруднена. В воздушной среде звук приходит в одно ухо раньше на 0,00003 сек., чем в другое. Это позволяет определить нахождение источника звука с ошибкой всего в 1—3°. Под водой же звук одновременно воспринимается обоими ушами и поэтому четкого, направленного восприятия не происходит. Ошибка в ориентировке бывает 180°.
В специально поставленном опыте только отдельные легкие водолазы после долгих блужданий и. поисков выходили к месту расположения источника звука, находившегося от них в 100—150 м. Отмечено, что систематические тренировки в течение длительного времени позволяют выработать способность довольно точно ориентироваться по звуку под водой. Однако как только тренировка прекращается, ее результаты сводятся на нет.
из книги “Человек под водой” авторы: Печатин А.А. Суровикин В.Д. Фадеев В.Г. ДОСААФ Москва-1967г
Удилище FREEWAY Master Race, 3,00 м