Скорость звука, скорость распространения какой-либо фиксированной фазы звуковой волны; называется также фазовой скоростью, в отличие от групповой скорости. С. з. обычно величина постоянная для данного вещества при заданных внешних условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и С. з. зависит от частоты, говорят о дисперсии звука.
Для газов и жидкостей, где звук распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение температуры, связанное со сжатиями и разряжениями в звуковой волне, не успевает выравниваться за период), выражение для С. з. можно представить, как
,
где Кад — адиабатический модуль объёмного сжатия, r — плотность, bад — адиабатическая сжимаемость, bиз = gbад — изотермическая сжимаемость, g = cp/cv — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении cp и при постоянном объёме cv.
В идеальном газе С. з.
(формула Лапласа), где r0 — среднее давление в среде, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, m — молекулярный вес газа. При g = 1 получаем формулу Ньютона для С. з., соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.
С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа С. з. возрастает. В табл. 1 и 2 приведены значения С. з. для некоторых газов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия С. з., приведены её значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем время релаксации.
Табл. 1. — Скорость звука в газах при 0 °C и давлении 1 атм
Газ | с, м/сек |
Азот | 334 |
Кислород | 316 |
Воздух | 331 |
Гелий | 965 |
Водород | 1284 |
Метан | 430 |
Аммиак | 415 |
С. з. в газах растет с ростом температуры и давления; в жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой С. з. увеличивается с ростом температуры и достигает максимума при температуре 74 °С, а с дальнейшим ростом температуры уменьшается. В морской воде С. з. зависит от температуры, солёности и глубины, что определяет ход звуковых лучей в море и, в частности, существование подводного звукового канала.
Табл. 2. — Скорость звука в жидкостях при 20° С
Жидкость | с, м/сек |
Вода | 1490 |
Бензол | 1324 |
Спирт этиловый | 1180 |
Четырёххлористый углерод | 920 |
Ртуть | 1453 |
Глицерин | 1923 |
С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.
С. з. в изотропных твёрдых телах определяется модулями упругости вещества и его плотностью. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причём фазовая С. з. для продольной волны равна
,
а для сдвиговой
где Е — модуль Юнга, G — модуль сдвига, g — коэффициент Пуассона, К — модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл. 3).
Табл. 3. — Скорость звука в некоторых твердых телах.
Материал | cl, м/сек, скорость продольной волны | ct, м/сек, скорость сдвиговой волны | сlст, м/сек, скорость звука в стержне |
Кварц плавленый | 5970 | 3762 | 5760 |
Бетон | 4200—5300 | — | — |
Плексиглас | 2670—2680 | 1100—1121 | 1840—2140 |
Стекло, флинт | 3760—4800 | 2380—2560 | 3490—4550 |
Тефлон | 1340 | — | — |
Эбонит | 2405 | — | 1570 |
Железо | 5835—5950 | — | 2030 |
Золото | 3200—3240 | 1200 | 2030 |
Свинец | 1960—2400 | 700—790 | 1200—1320 |
Цинк | 4170—4210 | 2440 | 3700—3850 |
Никель | 5630 | 2960 | 4785—4973 |
Серебро | 3650—3700 | 1600—1690 | 2610—2800 |
Латунь Л59 | 4600 | 2080 | 3450 |
Алюминиевый сплав АМГ | 6320 | 3190 | 5200 |
В монокристаллических твёрдых телах С. з. зависит от направления распространения волны относительно кристаллографических осей. Во многих веществах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от обработки, которой был подвергнут металл: прокат, ковка, отжиг и т. п.
Измерение С. з. используется для определения многих свойств веществ. Измерение малых изменений С. з. является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерения С. з. и её зависимость от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников, строение Ферми поверхностей в металлах и пр. Ряд контрольно-измерительных применений ультразвука в технике основан на измерениях С. з.
Всё вышеизложенное относится к распространению звука в сплошной среде, т. е. С. з. является макроскопической характеристикой среды. Реальные вещества не являются сплошными; их дискретность приводит к необходимости рассмотрения упругих колебаний др. типов. В твёрдом теле понятие С. з. относится только к акустической ветви колебаний кристаллической решётки.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.
А. Л. Полякова.