声速

　　定义

　　【声速】（sound speed）也称音速，声波在介质中的传播速度。不同物质的密度和弹性模量不同，所以声波在其中的传播速度不同。空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米／秒。

　　声速大小随大气温度的变化而变化

　　一般说来，声速的数值在固体中比在液体中大，在液体中又比在气体中大。声速的大小还随大气温度的变化而变化，在对流层中，高度升高时，气温下降，音速减小。在平流层[1]下部，气温不随高度而变，音速也不变，为295.2米／秒。空气流动的规律和飞机的空气动力特性，在飞行速度小于音速和大于音速的情况下，具有质的差别，，研究航空器在大气中的运动，声速是一个非常重要的基准值。

　　声速垂直分布

　　声速不是一个固定的值在干燥空气中,音速的经验公式是:声速u=331.3+(0.606c)m/s(c=摄氏气温)

　　常温下(15℃),声速为u=331.3+(0.606x15)=340.4m/s,这就是为什么都说音速是340m/s(1225km/h)的缘故.潮湿空气的音速略有增加,幅度不到0.5%,大多数场合可以忽略不计.对于华氏气温,可以用公式换算:F=9C/5+32(C=摄氏气温)。

　　国际标准大气ISA规定:在对流层中(0~11000m),海平面的气温为15℃,气压101325Pa,空气密度1.226kg/m3；海拔每升高1000m,气温下降6.5℃。

　　利用上面的公式计算不同海拔的气温,再综合前面的音速经验公式,就可以推算不同海拔的声速了。

　　在11000~20000m的高空(属平流层,气温基本没有变化,所以又叫"同温层"),温度下降到零下57℃(15-11x6.5=-56.5℃),这里的声速是u=331.3+[0.606x(-57)]=296.7m/s(约1068km/h).喷气式飞机都喜欢在1万米左右的高空巡航,因为这里是平流层的底部,可以避开对流层因对流活动而产生的气流.在11000~20000m的同温层内,音速的标准值是1062km/h,而且基本稳定.

　　喷气式飞机都用马赫数Ma来表示速度,而不用对地速度.这是因为物体在空气中飞行时,前端会压缩空气形成波动,这个波动是以音速传播的(因为声波也是波动的一种).如果物体的飞行速度超过音速,那么这些波动无法从前端传播,而在物体前端堆积,压力增大,最终形成激波.激波是超音速飞行的主要阻力源.物体飞行速度一旦超过音速,必然产生激波.激波会极大地增加飞行阻力,影响到整个飞行状态以及燃料的消耗.在不同的空气环境中,尽管飞行器的Ma数相同,但他们的对地速度是不相等的;不过,他们受到的阻力却大致相当.所以,飞行器都是用当地的音速,来衡量当前速度的。

　　我们身边处处存在声速

　　以音叉为例，我们敲打音叉之后，音叉产生振动，振动中的音叉会来回推撞周围的空气，使得空气的压力时高时低，而使得空气分子产生密部和疏部的变化，并藉由分子间的碰撞运动向外扩散出去，音叉的声波也就向外传出了。声波在传递时，空气分子的振动方向和波的传递方向是相同的，我们把这种波叫做“纵波”。

　　高超声速风洞

　　像空气这种可以传递声波的物质，我们把它们叫做“介质”。声波一定要有介质才能传递出去，如果真空状态，声波没有了传播的媒质，就无法听到声音了除了空气可以传递声音之外，液体（像水)、固体（像木材、玻璃、钢铁）等等，也都是声音的介质，而且因为液体、固体的分子排列得较紧密，传递声音的速度都比空气来得快。声音在水中的传播速度大约是在空气中的五倍，在钢中则比空气中快上将近二十倍。

　　日常生活中，声音大都藉由空气传播，历史上第一次测出空气中的声速，是在公元1708年的时候。当时一位英国人德罕姆站在一座教堂的顶楼，注视着十九公里外正在发射的大炮，他计算大炮发出闪光后到听见轰隆声之间的时间，经过多次测量后取平均值，得到与现在相当接近的声速数据在20℃时，每秒可跑343米。

　　常见介质中的声速

　　真空0m/s（也就是不能传播）

　　直读式声速剖面仪

　　空气（15℃）340m/s

　　空气（25℃）346m/s

　　软木500m/s

　　煤油（25℃）1324m/s

　　蒸馏水（25℃）1497m/s

　　海水（25℃）1531m/s

　　铜（棒）3750m/s

　　大理石3810m/s

　　铝（棒）5000m/s

　　铁（棒）5200m/s

　　水(常温）1500m/s

　　影响声速的因素

　　从声源发出的声波以一定的速度向周围传播，意味着声波的能量也以一定的速度向周围传播。目前所知，声波能够在所有物质（除真空外）中传播。其传播速度由传声介质的某些物理性质，主要是力学性质所决定。例如，音速与介质的密度和弹性性质有关，也随介质的温度、压强等状态参量而改变。气体中音速每秒约数百米，随温度升高而增大，0℃时空气中音速为331.4米／秒，15℃时为340米／秒，温度每升高1℃，音速约增加0．6米／秒。通常，固体介质中音速最大，液体介质中的音速较小，气体介质中的音速最小。，不均匀介质中的音速处处不等。各向异性介质中的音速随传播方向而异。在有些情况下音速还与声波本身的振幅、频率、振动方式（纵波声速、横波声速等）有关。如果传播介质的尺寸不够大，则其边界对音速也有影响。为了使音速的量值确切地表征传声介质的声学特征，不受其几何形状的影响，一般须规定传声介质的尺寸足够大（理论上为无限大）情况下的声波传播速度。有时为了实用上的方便，也列出某些特殊情况下的音速，如固体细棒中的声速。