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声音的传播快慢与传播介质的什么因素有关

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-30

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  声音的传播速度跟介质的反抗平衡力有关,反抗平衡力就是当物质的某个分子偏离其平衡位置时,其周围的分子就要把它挤回到平衡位置上,而反抗平衡力越大,声音就传播的越快。水的反抗平衡力要比空气的大,而铁的反抗平衡力又比水的大。

  声音的传播也与温度和阻力有关。声音还会因外界物质的阻挡而发生折射,例如人面对群山呼喊,就可以听得到自己的回声。另一个以折射为例:晚上的声音传播的要比白天远,是因为白天声音在传播的过程中,遇到了上升的热空气,从而把声音快速折射到了空中;晚上冷空气下降,声音会沉着地表慢慢的传播,不容易发生折射。

  声音是一种压力波:当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时,他们的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动,使周围的空气产生疏密变化,形成疏密相间的纵波,这就产生了声波,这种现象会一直延续到振动消失为止。

  声音作为波的一种,频率和振幅就成了描述波的重要属性,频率的大小与我们通常所说的音高对应,而振幅影响声音的大小。声音可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。这种变换(或分解)的过程,称为傅立叶变换(Fourier Transform)。

  因此,一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹之间。高于这个范围的波动称为超声波,而低于这一范围的称为次声波。狗和蝙蝠等动物可以听得到高达16万赫兹的声音。鲸和大象则可以产生频率在15到35赫兹范围内的声音。

  介质尺寸的大小对声速也会造成影响,假设声音在一块尺寸远大于波长的固体中传播,那么声速大小和三个主参数有关:介质的杨氏弹性模量、介质的密度、介质的泊松比。

  当固体介质的尺寸小于等于声音的波长时,例如声音在细长棒中传播,则无需考虑固体的泊松比,即泊松比为0。

  (PS:细心的网友可能会发现,把三个参数带入声速理论公式后,计算出来的声速值和公认值有差异。原因可能是参数只是估算值)

  (PS:上面的结论,一看声速的理论公式就可以得知了,问题是泊松比,有兴趣的网友可以试试算算,泊松比是否越大,声速就越大,还是相反呢?)

  什么是弹性模量(亦称杨氏弹性模量)?在拉压应力的弹性范围内,应力和应变成正比,应力=弹性模量*应变,因此弹性模量是衡量材料抵抗弹性形变能力的指标,亦称为刚度。

  什么是泊松比?材料在弹性范围内,受轴向拉伸时的横向正应力与受轴向压缩时的轴向正应力成正比。而材料的横行正应力与轴向正应力之比的绝对值,我们称为:泊松比。所有固体的泊松比都在0~0.5之间。

  此外,其他因素可以影响介质的基本参数从而改变声速:固体的温度、应力、均匀性。

  应力:当应力方向与声波传播方向一致时,若应力为压应力,则声速加快;若应力为拉应力,则声速减慢。

  均匀性:在某些均匀性差异大的固体中,例如铸铁,其表面冷却快,晶粒细,声速越大;中心冷却慢,晶粒粗,声速慢。

  声音在液体或气体介质传播,其声速和两个因素有关:介质的容变弹性模量、介质的密度。

  什么是容变弹性模量?在气体或液体中,容变弹性模量定义为:产生单位容积相对变化所需的压强。

  对于液体介质,一般情况下,当温度升高时,容变弹性模量减少,声速降低。水是特例,声音在水中传播,当温度在74°C左右,声速最大;当温度低于74°C,声速随温度升高而升高;当温度高于74°C,声速随温度升高而降低。

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