声速是多少?他们是如何找到它的?

声速是多少?他们是如何找到它的?

声速是多少?他们是如何找到它的?

多年来,哲学家们一直在问:“如果一棵树倒在森林里而没有人听到它,它会发出声音吗?”科学家们回答了这个问题,并继续找出声音传播的速度。计算那个速度并不像看起来那么简单。与光速不同,声速不是恒定的,不同的变量会改变它传播的速度。科学家们坚持不懈,现在了解了声音的工作原理,无论是女高音的声音还是倒在地上的树的声音。



什么是声音?

未来/盖蒂图片社

声音是由振动产生的能量。当物体振动时,它们会引起周围的粒子振动,从而导致更多的粒子振动。这是声波。例如,如果一棵树倒在地上,它落地引起的振动会产生声波。声波会一直持续到能量耗尽为止,如果声波范围内有耳朵,确实可以听到。



什么是声速?

图形

在谈论声速时,大多数人指的是声波在空气中传播的速度。在 68 华氏度的温度下,在干燥的环境中,声速约为每小时 767 英里。速度在不同温度下会发生变化,并且还取决于空气中存在的气体。

弦律

毕达哥拉斯 (Pythagoras) 在罗马,意大利的雕像

公元前 6 世纪,哲学家、数学家和七弦琴演奏家毕达哥拉斯花时间研究声音的工作方式。传说他在声音方面的工作受到了在铁匠铺中看到不同尺寸的锤子产生不同音调的方式的启发。更有可能的是,对他的里拉琴弦长度的实验激发了他的发现,即频率与弦的长度成反比。它被称为弦乐第一定律,是有关声波的最早记录作品之一。



艾萨克·牛顿爵士

托尼巴格特/盖蒂图片社

艾萨克·牛顿爵士是第一个发表声速的人。站在三一学院的柱廊上,牛顿拍了拍手,测量着声音回响到耳朵需要多长时间。在没有现代测量设备的情况下,他依靠钟摆来测量时间。他的数字发表在 Principia Mathematica 上,下降了大约 15%。牛顿开发的公式由皮埃尔-西蒙·拉普拉斯改进,被称为牛顿-拉普拉斯方程。

用枪声测量声速

枪声左转路标

在 1700 年代初期,威廉达勒姆牧师进行了测量声速的实验。当他拿着望远镜站在塔中时,助手们向当地的一些地标开枪。达勒姆观察了枪声的闪光,并用钟摆测量了他听到声音需要多长时间。由于他知道所涉及的距离,声速是可以计算的,并且被认为是最早的合理准确的估计。

用昆特管测量声速

像素/盖蒂图片社

奥古斯特·昆特于 1866 年发明了昆特管。该装置由一个装有少量细粉的透明管组成。当在管子的一端产生声音时,粉末会被声波移动。根据波长,它在管中以相等的间隔固定。测量粉末堆之间的距离可以计算声速。用不同的气体填充 Kundt 的管子可以测量不同介质中的声速。



用麦克风测量声速

带支架麦克风,特写

今天测量声速的最简单方法是使用两个麦克风。基本概念与达勒姆的霰弹枪相同,但秒表和快速记录设备允许缩短声源和测量设备之间的距离。声音也可以比霰弹枪的爆炸更柔和。

海拔的影响

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温度对声速的影响最大。在任何给定的理想气体中,成分恒定,声速完全取决于温度。随着温度的下降,声音会变慢,这意味着声波在更高的高度移动得更慢。这就是为什么在海平面上测量一般声速并基于特定温度的原因。

不同物质的声音

THEPALMER /盖蒂图片社

因为声音是由粒子的振动产生的,所以它需要一种介质才能穿过。这意味着真空中没有声音,但也意味着声音可以通过空气以外的物质传播。事实上,声音在气体中的传播速度最慢。它在水中的移动速度提高了四倍以上,在铁中的移动速度提高了 15 倍。

打破音障

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尽管早期的航空工程师认为声速是一个无法超越的障碍,但几个世纪前人造物体首次打破了它。牛鞭发出的爆裂声是音爆,即使是早期的子弹也以超过音速的速度行进。 Chuck Yaeger 于 1947 年成为第一个在水平飞行中飞行速度超过声音的人。 2012 年,Felix Baumgartner 从 120,000 英尺跳伞时成为第一个在没有车辆的情况下飞行速度超过声音的人。