Schallgeschwindigkeit- die Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen in einem Medium: sowohl in Längsrichtung (in Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen) als auch in Querrichtung (in Feststoffen). Sie wird durch die Elastizität und Dichte des Mediums bestimmt: In Gasen ist die Schallgeschwindigkeit in der Regel geringer als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten geringer als in Festkörpern. Außerdem hängt die Schallgeschwindigkeit in Gasen von der Temperatur einer bestimmten Substanz ab, in Einkristallen von der Richtung der Wellenausbreitung. Hängt normalerweise nicht von der Frequenz der Welle und ihrer Amplitude ab; In Fällen, in denen die Schallgeschwindigkeit von der Frequenz abhängt, spricht man von Schallausbreitung.

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  Bereits bei antiken Autoren gibt es Hinweise darauf, dass Schall durch die oszillierende Bewegung des Körpers entsteht (Ptolemäus, Euklid). Aristoteles stellt fest, dass die Schallgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat, und stellt sich die Natur des Schalls richtig vor. Versuche, die Schallgeschwindigkeit experimentell zu bestimmen, reichen bis in die erste Hälfte des 17. Jahrhunderts zurück. F. Bacon wies im New Organon auf die Möglichkeit hin, die Schallgeschwindigkeit durch den Vergleich der Zeitintervalle zwischen einem Lichtblitz und dem Geräusch eines Schusses zu bestimmen. Mit dieser Methode bestimmten verschiedene Forscher (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, eine Gruppe von Wissenschaftlern der Pariser Akademie der Wissenschaften – D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) den Wert der Schallgeschwindigkeit (je nach Versuchsbedingungen 350-390 m/s). Theoretisch wurde die Frage der Schallgeschwindigkeit erstmals von I. Newton in seinen „Prinzipien“ behandelt. Tatsächlich ging Newton davon aus, dass die Schallausbreitung isotherm sei, und erhielt daher eine Unterschätzung. Der korrekte theoretische Wert für die Schallgeschwindigkeit wurde von Laplace ermittelt.

  Berechnung der Geschwindigkeit in Flüssigkeit und Gas

  Die Schallgeschwindigkeit in einer homogenen Flüssigkeit (oder einem Gas) wird nach folgender Formel berechnet:

  c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))

  Bei partiellen Ableitungen:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ partielles p)(\partial v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (C_(p))(C_(v)))\left((\ frac (\partial p)(\partial v))\right)_(T))))

  Wo β (\displaystyle \beta)- adiabatische Kompressibilität des Mediums; ρ (\displaystyle \rho)- Dichte; C p (\displaystyle C_(p))- isobare Wärmekapazität; C v (\displaystyle C_(v))- isochore Wärmekapazität; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- Druck, spezifisches Volumen und Temperatur des Mediums; s (\displaystyle s)- Entropie des Mediums.

  Bei Lösungen und anderen komplexen physikalischen und chemischen Systemen (z. B. Erdgas, Öl) können diese Ausdrücke einen sehr großen Fehler ergeben.

  Feststoffe

  Bei Vorhandensein von Grenzflächen kann elastische Energie durch Oberflächenwellen unterschiedlicher Art übertragen werden, deren Geschwindigkeit sich von der Geschwindigkeit von Longitudinal- und Transversalwellen unterscheidet. Die Energie dieser Schwingungen kann um ein Vielfaches größer sein als die Energie von Körperwellen.

  Wahrscheinlich haben viele von Ihnen von einem Konzept wie der Schallgeschwindigkeit gehört. Ich hoffe, dass die meisten von Ihnen verstehen, was das ist. Und selbst wenn nicht, werden wir es jetzt herausfinden.

  Was ist Geschwindigkeit?

  Zuerst müssen Sie das verstehen Geschwindigkeit ist eine physikalische Größe, die angibt, wie weit ein Körper pro Zeiteinheit reisen kann. Aus dieser Definition folgt, dass ein Auto, das sich mit einer Geschwindigkeit von 70 km/h bewegt, in 99 % der Fälle in einer Umdrehung im Uhrzeigersinn (also in einer Stunde) 70 Kilometer zurücklegen kann. In 1 % der Fälle berücksichtigen wir die Tatsache, dass es auf der Straße zu einer Panne kommen kann oder die Straße enden wird. Das Auto ist klar. Anstelle eines Autos können Sie auch andere Gegenstände nehmen: eine Person rennt, ein Stein fliegt, eine Springmaus springt usw. Alle diese Körper sind echte Objekte, die man sehen und sogar anfassen kann. Aber der Schall ist kein Stein oder ein Flugzeug, woher bekommt er seine Geschwindigkeit?

  Das Konzept besteht aus zwei Wörtern. Mit dem ersten haben wir uns bereits beschäftigt. Kommen wir nun zum zweiten. Was ist Ton?

  Schall ist etwas, das wir hören können, also ein physikalisches Phänomen. Dieses Phänomen tritt als Folge der Ausbreitung auf Schallwelle in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien. Die Schallwelle ist einer gewöhnlichen Meereswelle sehr ähnlich, die jeder live oder im Fernsehen gesehen hat (nicht umsonst wurden sie gleich genannt – Welle). Genauer gesagt kann man sich eine Schallwelle als Kreise auf dem Wasser vorstellen, die nach dem Werfen eines Kieselsteins entstehen. Schließlich breitet sich Schall in alle Richtungen gleich aus! Wenn du ein Glas Wasser anschreist, wirst du ins Irrenhaus gebracht. Du wirst das Geräusch sehen können!!! In Form von Kreisen auf der Wasseroberfläche.

  Das heißt Schallwelle- Dies ist im Wesentlichen die Schwingung der Atome des Mediums, in dem sich Schall ausbreitet. Deshalb wackeln Fenster bei lauter Musik.

  

  Jetzt wissen wir, was Geschwindigkeit und was Schall ist, also verbinden wir diese Konzepte miteinander!

  Die Schallgeschwindigkeit ist ein Wert, der angibt, wie weit eine Schallwelle pro Zeiteinheit wandern kann.

  Wie wir bereits herausgefunden haben, muss eine Schallwelle (Luft, Wasser, ein fester Körper) vibrieren, damit sie sich bewegen kann. Deshalb gibt es im Weltraum keinen Ton! Da es dort keine Atome gibt (praktisch keine, es gibt einige, aber sehr wenige)! Und das Interessanteste ist, dass sich Schall in der Luft mit einer Geschwindigkeit von 340 m/s ausbreitet, in Wasser mit einer Geschwindigkeit von 1500 m/s und in Festkörpern mit einer Geschwindigkeit von 3000–6000 m/s. Dies ist nicht verwunderlich, denn je geringer der Abstand zwischen den Atomen ist, desto schneller breitet sich der Schall aus.

  Der Beobachter notierte mit einer Uhr die Zeit, die zwischen dem Erscheinen des Blitzes und dem Moment, in dem das Geräusch zu hören war, verging. Die Zeit, die das Licht brauchte, um diese Strecke zurückzulegen, wurde vernachlässigt. Um den Einfluss des Windes so weit wie möglich zu eliminieren, befanden sich auf jeder Seite eine Kanone und ein Beobachter, und jede Kanone feuerte ungefähr zur gleichen Zeit.

  Es wurde der Mittelwert aus zwei Zeitmessungen ermittelt und darauf basierend. Es stellte sich heraus, dass sie ungefähr 340 ms -1 betrug. Der große Nachteil dieser Messmethode war, dass die Waffe nicht immer zur Hand war!

  Viele Prüflinge beschreiben eine ähnliche Methode. Ein Schüler steht mit einer Startpistole auf der einen Seite des Fußballfeldes, der andere mit einer Stoppuhr auf der anderen Seite. Der Abstand zwischen ihnen wird sorgfältig mit einem Maßband gemessen. Der Schüler startet die Stoppuhr, wenn er sieht, dass Rauch aus dem Fass kommt, und stoppt sie, wenn er das Geräusch hört. Dasselbe geschieht, wenn sie den Platz tauschen, um die Auswirkungen des Windes auszugleichen. Anschließend wird die durchschnittliche Zeit ermittelt.

  Da sich Schall mit einer Geschwindigkeit von 340 ms -1 ausbreitet, wird eine Stoppuhr wahrscheinlich nicht genau genug sein. Vorzugsweise wird in Hundertstelsekunden oder Millisekunden gearbeitet.

  Messung der Schallgeschwindigkeit mittels Echo

  Wenn ein kurzer, scharfer Ton, beispielsweise ein Klatschen, erzeugt wird, kann der Wellenimpuls von einem großen Hindernis, beispielsweise einer Wand, reflektiert und von einem Beobachter gehört werden. Dieser reflektierte Impuls wird Echo genannt. Stellen wir uns vor, dass eine Person in einem Abstand von 50 m von der Wand steht und einmal klatscht. Wenn das Echo zu hören ist, hat der Schall 100 m zurückgelegt. Die Messung dieses Intervalls mit einer Stoppuhr ist nicht sehr genau. Wenn jedoch eine zweite Person eine Stoppuhr hält und die erste Person klatscht, kann die Zeit für eine große Anzahl von Echotönen mit einigermaßen genauer Genauigkeit ermittelt werden.

  Angenommen, der Abstand, in dem sich die klatschende Person vor der Wand befindet, beträgt 50 m und das Zeitintervall zwischen dem ersten und dem einhundertersten Klatschen beträgt 30 s, dann gilt:

  Schallgeschwindigkeit= zurückgelegte Strecke / Zeit eines Klatschens = 100 m: 30 / 100 s = 333 ms -1

  Messung der Schallgeschwindigkeit mit einem Oszilloskop

  Eine komplexere Möglichkeit, die Schallgeschwindigkeit direkt zu messen, ist die Verwendung eines Oszilloskops. Der Lautsprecher sendet in regelmäßigen Abständen Impulse aus, die mit einem Kathodenstrahloszilloskop aufgezeichnet werden (siehe Abbildung). Wenn ein Impuls vom Mikrofon empfangen wird, wird dieser auch vom Oszilloskop aufgezeichnet. Wenn die Zeiteigenschaften des Oszilloskops bekannt sind, kann der Zeitabstand zwischen zwei Impulsen ermittelt werden.

  Gemessen wird der Abstand zwischen Lautsprecher und Mikrofon. Die Schallgeschwindigkeit lässt sich mit der Formel ermitteln Geschwindigkeit = Distanz / Zeit.

  Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien

  Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern höher als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten höher als in Gasen. Frühere Experimente am Genfersee haben gezeigt, dass die Schallgeschwindigkeit im Wasser deutlich höher ist als in der Luft. Im Süßwasser beträgt die Schallgeschwindigkeit 1410 ms -1, im Meerwasser 1540 ms -1. In Eisen beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 5000 ms -1.

  Durch das Senden von Schallsignalen und das Notieren der Zeitspanne bis zum Eintreffen des reflektierten Signals (Echos) ist es möglich, die Meerestiefe und den Standort von Fischschwärmen zu bestimmen. Während des Krieges wurden Hochfrequenz-Schallgeber zum Aufspüren von Minen eingesetzt. Fledermäuse nutzen im Flug eine spezielle Form des Echos, um Hindernisse zu erkennen. Die Fledermaus gibt einen hochfrequenten Ton ab, der von einem Objekt auf ihrem Weg abprallt. Die Maus hört das Echo, lokalisiert das Objekt und weicht ihm aus.

  Die Schallgeschwindigkeit in der Luft hängt von den atmosphärischen Bedingungen ab. Die Schallgeschwindigkeit ist proportional zur Quadratwurzel des Drucks dividiert durch die Dichte. Druckänderungen haben keinen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Dies liegt daran, dass eine Erhöhung des Drucks eine entsprechende Erhöhung der Dichte mit sich bringt und das Verhältnis von Druck zu Dichte konstant bleibt.

  Die Schallgeschwindigkeit in Luft (wie in jedem Gas) wird durch Temperaturänderungen beeinflusst. Die Gesetze für Gase besagen, dass das Verhältnis von Druck zu Dichte proportional ist. Somit ist die Schallgeschwindigkeit proportional zu √T. In großen Höhen ist es einfacher, die Schallmauer zu durchbrechen, da dort die Temperatur niedriger ist.

  Die Schallgeschwindigkeit wird durch Änderungen der Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Die Dichte von Wasserdampf ist bei gleichem Druck geringer als die Dichte trockener Luft. Nachts, wenn die Luftfeuchtigkeit steigt, breitet sich der Schall schneller aus. In einer ruhigen, nebligen Nacht sind Geräusche deutlicher zu hören.

  Dies liegt zum einen an der erhöhten Luftfeuchtigkeit, zum anderen daran, dass es unter diesen Bedingungen meist zu einer Temperaturinversion kommt, bei der Schall so gebrochen wird, dass er nicht verloren geht.

  Die ersten Versuche, die Natur des Klangursprungs zu verstehen, wurden vor mehr als zweitausend Jahren unternommen. In den Werken der antiken griechischen Wissenschaftler Ptolemaios und Aristoteles wird zu Recht davon ausgegangen, dass Schall durch Körpervibrationen erzeugt wird. Darüber hinaus argumentierte Aristoteles, dass die Schallgeschwindigkeit eine messbare und endliche Größe sei. Natürlich gab es im antiken Griechenland keine technischen Möglichkeiten für genaue Messungen, so dass die Schallgeschwindigkeit erst im 17. Jahrhundert relativ genau gemessen werden konnte. Zu diesem Zweck wurde ein Vergleichsverfahren zwischen dem Zeitpunkt der Erkennung des Blitzes aus einer Aufnahme und der Zeit, nach der der Ton den Betrachter erreichte, verwendet. Als Ergebnis zahlreicher Experimente kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass sich Schall in der Luft mit einer Geschwindigkeit von 350 bis 400 Metern pro Sekunde ausbreitet.

  Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in einem bestimmten Medium direkt von der Dichte und Temperatur dieses Mediums abhängt. Je dünner die Luft ist, desto langsamer breitet sich der Schall durch sie aus. Darüber hinaus ist die Schallgeschwindigkeit umso höher, je höher die Temperatur des Mediums ist. Heute wird allgemein davon ausgegangen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in der Luft unter normalen Bedingungen (auf Meereshöhe und einer Temperatur von 0 °C) 331 Meter pro Sekunde beträgt.

  Machzahl

  Im wirklichen Leben ist die Schallgeschwindigkeit ein wichtiger Parameter in der Luftfahrt. In den Höhen, in denen sie üblich ist, unterscheiden sich die Umgebungseigenschaften jedoch stark vom Normalzustand. Aus diesem Grund verwendet die Luftfahrt ein universelles Konzept namens Mach-Zahl, benannt nach dem Österreicher Ernst Mach. Diese Zahl stellt die Geschwindigkeit des Objekts dividiert durch die örtliche Schallgeschwindigkeit dar. Offensichtlich ist die Mach-Zahl umso höher, je niedriger die Schallgeschwindigkeit in einem Medium mit bestimmten Parametern ist, auch wenn sich die Geschwindigkeit des Objekts selbst nicht ändert.

  Die praktische Anwendung dieser Zahl ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich Bewegungen mit Geschwindigkeiten, die höher als die Schallgeschwindigkeit sind, erheblich von Bewegungen mit Unterschallgeschwindigkeit unterscheiden. Dies ist hauptsächlich auf Veränderungen in der Aerodynamik des Flugzeugs, eine Verschlechterung seiner Steuerbarkeit, eine Erwärmung des Körpers sowie einen Wellenwiderstand zurückzuführen. Diese Effekte werden nur beobachtet, wenn die Mach-Zahl eins überschreitet, das heißt, das Objekt die Schallmauer durchbricht. Derzeit gibt es Formeln, mit denen Sie die Schallgeschwindigkeit für bestimmte Luftparameter und damit die Machzahl für verschiedene Bedingungen berechnen können.

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  Quellen:

  • Schwingungsfrequenz der Stimmgabel 440 Hz

  Verschiedene physikalische Objekte, die sich in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand befinden, können klingen. Zum Beispiel eine vibrierende Saite oder ein Luftstrom, der aus einem Rohr geblasen wird.

  Schall sind Wellenschwingungen des Mediums, die vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden. Die Quellen sind verschiedene physische Körper. Die Schwingung der Quelle regt Schwingungen in der Umgebung an, die sich im Raum ausbreiten. Schallwellen besetzen einen Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz, zwischen Infraschall und Ultraschall.

  Mechanische Schwingungen treten nur dort auf, wo elastische Schwingungen vorhanden sind, sodass sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten kann. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle um die Schallquelle herum ausbreitet.

  Schall breitet sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe aus. Schall breitet sich im Wasser schneller aus als in der Luft. In Festkörpern ist die Schallgeschwindigkeit höher als in . Für jeden Stoff ist die Skonstant. Diese. Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Dichte und Elastizität des Mediums ab und nicht von der Frequenz der Schallwelle und ihrer Amplitude.

  Der Schall kann das Hindernis umgehen, auf das er trifft. Dies nennt man Beugung. Tiefe Töne werden besser gebeugt als hohe Töne. Hier

  Der Artikel untersucht die Eigenschaften von Schallphänomenen in der Atmosphäre: die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in der Luft, den Einfluss von Wind und Nebel auf die Schallausbreitung.
  Längsschwingungen von Materieteilchen, die sich durch das materielle Medium (Luft, Wasser und Feststoffe) ausbreiten und das menschliche Ohr erreichen, verursachen Empfindungen, die Schall genannt werden.
  In der atmosphärischen Luft gibt es immer Schallwellen unterschiedlicher Frequenz und Stärke. Einige dieser Wellen werden künstlich von Menschen erzeugt, andere Geräusche sind meteorologischen Ursprungs.
  Zu den Geräuschen meteorologischen Ursprungs gehören Donner, das Heulen des Windes, das Summen von Drähten, das Geräusch und Rascheln von Bäumen, die „Stimme“ des Meeres, die Geräusche fester und flüssiger Niederschläge, die auf die Erdoberfläche fallen, die Geräusche der Surfen Sie vor der Küste von Meeren und Seen und anderen.
  Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in der Atmosphäre wird von der Lufttemperatur und -feuchtigkeit sowie vom Wind (Richtung und Stärke) beeinflusst. Im Durchschnitt beträgt die Schallgeschwindigkeit in der Atmosphäre 333 m/s. Mit zunehmender Lufttemperatur nimmt die Schallgeschwindigkeit leicht zu. Änderungen der absoluten Luftfeuchtigkeit haben einen geringeren Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit.
  Die Schallgeschwindigkeit in Luft wird durch die Laplace-Formel bestimmt:

  (1),
  wobei p der Druck ist; ? - Luftdichte; C? - Wärmekapazität der Luft bei konstantem Druck; cp ist die Wärmekapazität von Luft bei konstantem Volumen.
  Mithilfe der Gaszustandsgleichung lassen sich zahlreiche Abhängigkeiten der Schallgeschwindigkeit von meteorologischen Parametern ermitteln.
  Die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft wird durch die Formel bestimmt:
  c0 = 20,1 ?T m/s, (2)
  und in feuchter Luft:
  с0 = 20,1 ?ТВ m/s, (3)
  wobei TV = sogenannte akustische virtuelle Temperatur, die durch die Formel TV = T (1+ 0,275 e/p) bestimmt wird.
  Bei einer Änderung der Lufttemperatur um 1° ändert sich die Schallgeschwindigkeit um 0,61 m/s. Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Wert des Verhältnisses e/p (dem Verhältnis von Feuchtigkeit zu Druck) ab, aber diese Abhängigkeit ist gering, und wenn beispielsweise die Elastizität von Wasserdampf weniger als 7 mm beträgt, ergibt ihre Vernachlässigung eine Fehler der Schallgeschwindigkeit, der 0,5 m/s nicht überschreitet.
  Bei Normaldruck und T = 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft 333 m/sec. In feuchter Luft lässt sich die Schallgeschwindigkeit nach folgender Formel ermitteln:
  c = 333 + 0,6t + 0,07e (4)
  Im Temperaturbereich (t) von -20° bis +30° ergibt diese Formel einen Fehler der Schallgeschwindigkeit von maximal ± 0,5 m/sec. Aus den obigen Formeln geht hervor, dass die Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur und Luftfeuchtigkeit zunimmt.
  Der Wind hat einen starken Einfluss: Die Schallgeschwindigkeit nimmt in Windrichtung zu, gegen den Wind ab. Durch die Anwesenheit von Wind in der Atmosphäre driftet die Schallwelle ab, wodurch der Eindruck entsteht, dass sich die Schallquelle verschoben hat. Die Schallgeschwindigkeit in diesem Fall (c1) wird durch den Ausdruck bestimmt:
  c1 = c + U cos ?, (1)
  wobei U die Windgeschwindigkeit ist; ? — der Winkel zwischen der Windrichtung am Beobachtungspunkt und der beobachteten Richtung des Schalleinfalls.
  Die Kenntnis der Sin der Atmosphäre ist von großer Bedeutung für die Lösung einer Reihe von Problemen bei der Untersuchung der oberen Schichten der Atmosphäre mit der akustischen Methode. Anhand der durchschnittlichen Schallgeschwindigkeit in der Atmosphäre können Sie die Entfernung von Ihrem Standort bis zum Ort des Gewitters ermitteln. Dazu müssen Sie die Anzahl der Sekunden zwischen dem sichtbaren Blitz und dem Eintreffen des Donnergeräuschs bestimmen. Dann müssen Sie die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit in der Atmosphäre multiplizieren – 333 m/s. für die resultierende Anzahl an Sekunden.