Del:
Hvad er lydens hastighed?
I Jordens atmosfære, den lydhastighed det er 343 meter pr. sekund; eller en kilometer ved 2,91 per sekund eller en mile ved 4,69 per sekund.
Lydens hastighed i en ideel gas afhænger kun af dens temperatur og sammensætning. Hastigheden har en svag afhængighed af frekvensen og trykket i den almindelige luft, som afviger lidt fra den ideelle adfærd.
Hvad er lydens hastighed?
Normalt refererer lydens hastighed til den hastighed, hvormed lydbølgerne rejser gennem luften. Dog varierer lydens hastighed afhængigt af stoffet. For eksempel rejser lyden langsommere i gasser, rejser hurtigere i væsker og endnu hurtigere i faste stoffer.
Hvis lydens hastighed er 343 meter pr. Sekund i luften, betyder det, at den bevæger sig på 1.484 meter pr. Sekund i vand og på ca. 5.120 meter pr. Sekund i jern. I et usædvanligt hårdt materiale, som f.eks. Diamant, bevæger lyden sig på 12.000 meter per sekund. Dette er den højeste hastighed, hvormed lyden kan rejse under normale forhold.
Lydbølger i faststoffer er sammensat af kompressionsbølger - som i gasser og væsker - og af en anden type bølge kaldet rotationsbølger, der kun er til stede i faste stoffer. Rotationsbølger i faste stoffer rejser normalt med forskellige hastigheder.
Hastigheden af kompressionsbølgerne i de faste stoffer bestemmes af medietes kompressibilitet, densitet og tværgående modul. Rotationsbølgernes hastighed bestemmes kun af densiteten og modulet af tværgående elasticitet af modulet.
I dynamisk fluid anvendes lydens hastighed i et fluidmedium, enten gas eller væske, som en relativ mål for hastigheden af en genstand, som bevæger sig gennem mediet.
Forholdet mellem et objekts hastighed og lysets hastighed i en væske hedder et nummer for et objekt i marts. Objekter, der bevæger sig hurtigere end 1. marts, betegnes som objekter, der rejser ved supersoniske hastigheder.
Grundlæggende begreber
Lydoverførslen kan illustreres ved hjælp af en model bestående af en række bolde indbyrdes forbundne med ledninger.
I virkeligheden repræsenterer ballerne molekylerne, og tråderne repræsenterer forbindelserne mellem dem. Lyden passerer gennem modellen, der komprimerer og udvider trådene, sender energi til de nærliggende bolde, som igen sender energi til deres tråde og så videre..
Lydens hastighed gennem modellen afhænger af trådens stivhed og ballernes masse.
Så længe mellemrummet mellem kuglerne er konstant, overfører de stivere tråde energi hurtigere, og kugler med mere masse overfører energi langsommere. Effekter som spredning og refleksion kan også forstås med denne model.
I noget ægte materiale kaldes trådens stivhed det elastiske modul, og massen svarer til densiteten. Hvis alle andre ting er ens, vil lyden gå langsommere i svampede materialer og hurtigere i stivere materialer.
For eksempel rejser lyden 1,59 gange hurtigere gennem nikkel end bronze, fordi stivheden af nikkel er større ved samme tæthed.
Tilsvarende rejser lyden 1,41 gange hurtigere i en let hydrogengas (protium) end i en tung hydrogengas (deuterium), da tung gas har lignende egenskaber, men har to gange densiteten.
Samtidig vil lyden af "kompressionstype" rejse hurtigere i faste stoffer end væsker og rejse hurtigere i væsker end i gasser.
Denne effekt skyldes det faktum, at faste stoffer har større vanskeligheder med at komprimere end væsker, mens væsker på den anden side er sværere at komprimere end gasser..
Kompressionsbølger og rotationsbølger
I en gas eller en væske består lyd af kompressionsbølger. I faste stoffer udbreder bølgerne gennem to forskellige slags bølger. En langsgående bølge er forbundet med kompression og dekompression i bevægelsesretningen; det er den samme proces i gasser og væsker, med en analog kompressionsbølge i faste stoffer.
Kun kompressionsbølger findes i gasser og væsker. En yderligere type bølge, der kaldes tværgående bølge eller rotationsbølge, forekommer kun i faste stoffer, da kun faste stoffer kan modstå elastiske deformationer.
Dette skyldes, at den elastiske deformation af mediet er vinkelret på bevægelsesretningen af bølgen. Retningen for den deformerede rotation kaldes polariseringen af denne type bølge. Generelt forekommer tværgående bølger som et par ortogonale polarisationer.
Disse forskellige typer af bølger kan have forskellige hastigheder ved samme frekvens. Derfor kan de nå frem til en observatør på forskellige tidspunkter. Et eksempel på denne situation forekommer i jordskælv, hvor de akutte kompressionsbølger ankommer først og de oscillerende tværgående bølger ankommer sekunder senere.
Kompressionshastigheden af bølger i en væske bestemmes af kompressibiliteten og densiteten af mediet.
I faste stoffer er kompressionsbølgerne analoge med dem, der findes i væsker, afhængigt af kompressibiliteten, densiteten og yderligere faktorer af det tværgående modul af elasticitet.
Rotationsbølgernes hastighed, som kun forekommer i faste stoffer, bestemmes kun af modulet for tværgående elasticitet og modulets tæthed.
referencer
- Hastigheden af lyd i forskellige bulkmedier. Hyperfysik Hentet fra hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
- Hastigheden af lyd. Hentet fra mathpages.com.
- Masterhåndbogen for akustik. (2001). New York, USA. McGraw-Hill. Hentet fra wikipedia.com.
- Hastigheden af lyd i vand ved temperaturer. Engineering Toolbox. Hentet fra engineeringtoolbox.com.
- Hastigheden af lyd i luften. Fysik af musik-noter. Hentet fra phy.mtu.edu.
- Atmosfæriske virkninger på lydens hastighed. (1979). Teknisk rapport fra Forsvarets tekniske informationscenter. Hentet fra wikipedia.com.