Ta mở rộng suy luận của phần trước để đánh giá tốc độ lan truyền của sóng âm trong chất khí. Trên hình 17.5a, ta khảo sát khối khí hình trụ nằm giữa piston và đường gạch đứt. Khối khí này nằm yên cân bằng nhờ sự tác dụng của hai lực có cùng độ lớn: áp lực từ piston từ phía bên trái và áp lực khí bên phải tạo ra. Mỗi lực này có độ lớn bằng \[PA\], trong đó \[P\] là áp suất của khí, còn \[A\] là tiết diện ngang của ống.
Hình 17.5b mô tả hệ sau khoảng thời gian \[\Delta t\], theo đó piston di chuyển sang phải với vận tốc không đổi \[v_x\] nhờ lực đẩy piston từ phía bên trái đã tăng lên thành \[[P+\Delta P]A\]. Lúc này mọi phần tử khí trong vùng khảo sát đều chuyển động sang trái với vận tốc \[v_x\].
Ta cố tình chọn độ dài của vùng khí khảo sát bằng \[v\Delta t\], với \[v\] là vận tốc truyền âm. Sau thời gian \[\Delta t\], khí nằm bên phải nét gạch đứt vẫn đứng yên, chưa bị ảnh hưởng bởi sóng âm còn chưa vươn đến.
Phần khí khảo sát được mô tả như một hệ cô lập. Lực từ piston tạo ra một biến thiên về động lượng. Tổng hợp lực này bằng \[F=A\Delta P\] và sinh ra xung lực:
\[\vec{I}=\sum{\vec{F}\Delta t}=[A\Delta P\Delta t]\vec{i}.\]
Độ biến thiên áp suất liên quan đến độ biến thiên thể tích và modul khối:
\[\Delta P=-B\frac{\Delta V}{V}=-B\frac{-v_xA\Delta t}{vA\Delta t}=B\frac{v_x}{v}.\]
Từ đây xung lực bằng:
\begin{equation} \vec{I}=\left[AB\frac{v_x}{v}\Delta t\right]\vec{i}. \label{eq:17.6} \end{equation}
Độ biến thiên động lượng của khối khí khảo sát:
\begin{equation} \Delta\vec{p}=m\Delta\vec{v}=\rho V[v_x\vec{i}-0]=[\rho vv_xA\Delta t]\vec{i}. \label{eq:17.7} \end{equation}
Theo định luật Newton thứ hai viết dưới dạng xung lực:
\[\Delta\vec{p}=\vec{F}\Delta t.\]
Thế \[\Delta\vec{p}\] và \[\vec{F}\] vào thu được:
\[\rho vv_xA\Delta t=AB\frac{v_x}{v}\Delta t.\]
Sau khi giản ước, ta có được biểu thức của vận tốc truyền âm:
\begin{equation} v=\sqrt\frac{B}{\rho}. \label{eq:17.8} \end{equation}
Sẽ rất thú vị khi ta so sánh biểu thức này với vận tốc truyền sóng trên sợi dây: \[v=\sqrt{\dfrac{T}{\mu}}\] [Chương 16]. Trong cả hai trường hợp, vận tốc lan truyền sóng phụ thuộc vào tính đàn hồi của môi trường [modul khối \[B\] hoặc lực căng dây \[T\]], cũng như phụ thuộc vào quán tính của vật chất môi trường [khối lượng riêng \[\rho\] hoặc khối lượng trên một đơn vị độ dài dây \[\mu\]]. Vận tốc lan truyền của tất cả các sóng cơ học đều có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát:
\[v=\sqrt\frac{\text{elastic property}}{\text{inertial property}}.\]
Trong trường hợp sóng dọc lan truyền trong chất rắn, vận tốc truyền âm phụ thuộc vào suất Young và khối lượng riêng của môi trường. Bảng 17.1 đưa ra một vài giá trị của vận tốc truyền âm trong những môi trường khác nhau.
Thực tế cho thấy vận tốc truyền âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường, bởi nhiệt độ ảnh hưởng đến tính đàn hồi và mật độ vật chất. Với trường hợp không khí, vận tốc truyền âm phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức:
\begin{equation} v=331\sqrt{1+\frac{T_C}{273}}. \label{eq:17.9} \end{equation}
trong đó 331 m/s là vận tốc truyền âm trong không khí ở \[0^\circ\]C, còn \[T_C\] là nhiệt độ không khí ở thang đo Celsius. Dùng công thức trên có thể tính ra được vận tốc truyền âm trong không khí ở \[20^\circ\]C xấp xỉ 343 m/s.
Con số trên cho ra một phương pháp thuận tiện giúp ước lượng khoảng cách đến một cơn giông. Đầu tiên đếm số giây kể từ khi có tia chớp đến khi nghe được tiếng sấm. Sau đó lấy con số này chia cho 3, sẽ ra được giá trị khoảng cách tính theo km, bởi \[343 \mathrm{m/s}\approx\frac{1}{3} \mathrm{km}\].
Nhìn vào biểu thức \[\eqref{eq:17.8}\], ta có thể viết lại mối liên hệ [17.4] giữa độ chuyển dời và biến thiên áp suất:
Âm thanh là yếu tố đóng một vai trò vô cùng quan trọng, nó giúp con người có thể giao tiếp với nhau, giúp cuộc sống trở lên sống động hơn. Vậy âm thanh là gì? Tốc độ âm thanh bằng bao nhiêu? Hãy cũng Vimitech tìm hiểu qua bài chia sẻ dưới đây nhé!
Mục lục
Để tìm hiểu sâu hơn thì trước hết chúng ta đi tìm hiểu khái niệm âm thanh là gì?
Âm thanh đối với thính giác con người thường là sự giao động trong dải tần số từ 16HZ tới 20 000HZ của các phân tử không khí và sự va đập của chúng làm rung màng nhĩ kích thích não bộ.
Vậy tốc độ âm thanh là gì?
Tốc độ âm thanh hay còn gọi là vận tốc âm thanh là tốc độ truyền đi của sóng âm trong một môi trường nhất định với một khoảng thời gian được xác định. Vận tốc của âm thanh biến động phụ thuộc vào môi trường mà âm thanh đi qua. Cụ thể như âm thanh truyền đi trong môi trường không khí sẽ chậm hơn 4,5 lần so với môi trường nước. Môi trường truyền âm lý tưởng là môi trường có vận tốc âm thanh nhanh và ngược lại.
2. Vận tốc âm thanh trong không khí
Ở trạng thái nhiệt độ môi trường là 20 độ C tương đương với 68 độ F thì vận tốc âm thanh ở khoảng 343m/giây.
Vận tốc âm thanh theo hệ mét:
- Vận tốc âm thanh = 12348 km/h
- Vận tốc âm thanh = 1,2348 km/s
- Vận tốc âm thanh = 0,343 m/h
- Vận tốc âm thanh = 343 m/s
Vận tốc âm thanh theo hệ đo lường Anh/Mỹ
- Vận tốc âm thanh = 4,051,181.1 ft/s
- Vận tốc âm thanh = 666,739 knot
- Vận tốc âm thanh = 0.231 mph
- Vận tốc âm thanh = 767.269 mps
- Vận tốc âm thanh= 1,125.328 ft/h
Vận tốc âm thanh theo hệ thiên văn
- Vận tốc âm thanh = 1.144 x10-6 vận tốc ánh sáng
3. Các ảnh hưởng từ môi trường tới tốc độ âm thanh
Môi trường truyền âm là các môi trường cho phép âm thanh đi qua. Ở trong các môi trường này âm thanh có thể truyền đi dựa vào sự giao động của các hạt phân tử.
Nhiệt độ của môi trường có ảnh hưởng đến tốc độ truyền âm của âm thanh. Khi nhiệt độ môi trường tăng làm thay đổi mật độ phân tử từ đó dẫn đến việc tốc độ âm thanh đi qua môi trường đó cũng thay đổi. Nhiệt độ môi trường tăng làm giảm mật độ của môi trường kéo theo đó là giảm sức cản của môi trường đến âm thanh, âm thanh được truyền đi nhanh hơn. Ví dụ cụ thể: Âm thanh truyền đi trong không khí ở nhiệt độ 32 độ F là 1.087 feet /giây chậm hơn so với ở 68 độ F là 1.127 feet /giây.
Ngoài ra vận tốc âm thanh còn phụ thuộc vào mật đô môi trường và độ đàn hồi. Trong trường hợp độ đàn hồi của môi trường tăng và mật độ giảm, âm thanh ở trong môi trường này sẽ truyền đi nhanh hơn và ngược lại..
4. Siêu âm và siêu thanh
Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số mà con người có thể nghe thấy được. Siêu âm có thể lan truyền trong các môi trường tương tự như các âm thanh mà con người có thể nghe thấy được. Các âm thanh này có tốc độ tương tự với âm thanh thông thường nhưng có tần số và bước sóng cao hơn. Siêu âm có thể tạo ra từ một số loại loa hoặc giao động từ áp điện. Trên thực tế có nhiều động vật có khả năng cảm nhận được những vận tốc siêu âm như dơi hoặc các loại cá voi hoặc cá heo dùng để siêu âm hoặc định hướng các và định vị các đối tượng vật cản xung quanh.
Âm thanh siêu thanh là dạng âm thanh sở hữu tần số cao hơn mức tần số âm thanh mà con người có thể nghe lường được. Thông thường vận tốc siêu thanh ở điều kiện không khí thường lớn hơn hoặc bằng Mach 1 tương đương với 343m/giây. Khi vận tốc âm thanh lên tới quá Mach 5 thì người ta gọi hiện tượng này là cực siêu thanh, có tốc độ lớn hơn bình thường gấp 5 lần.
Hiện nay một số vật có thể đạt đến vận tốc siêu thanh phải kế tới như: tất cả các loại súng thông thường đạt tới mach 3, tàu vũ trụ, máy bay chiến đấu,…
5. So sánh tốc độ âm thanh với tốc độ ánh sáng
Dựa theo các nghiên cứu của các nhà khoa học thì chúng ta có thể thấy tốc độ ánh sáng đang là vận tốc nhanh nhất, lên tới 300 nghìn km/s. Nếu đặt lên bàn cân ta có thể thấy sự chênh lệch lớn của vận tốc âm thanh và ánh sáng, trong khi vận tốc ánh sáng là 300.000 km/s thì vận tốc âm thanh chỉ chậm chạp theo sau ở mức 0.3 km/s. Vận tốc ánh sáng truyền nhanh như vậy là nhờ các hạt pjhoton trong ánh sáng mà có được. Nhưng vận tốc âm thanh thì khác, vận tốc này chịu ảnh hưởng từ modum đàn hồi của môi trường và tính chất của môi trường đó.
Trong thực tế ta có thể dễ dàng nhận thấy sự chênh lệch tốc độ nhờ hiện tượng vật lý đó là sấm sét, do ánh sáng có vận tốc lớn hơn âm thanh nên chúng ta thường thấy sét lóe lên trước sau mới nghe thấy tiếng sấm.
Trên đây là những thông tin về tốc độ âm thanh mà Vimitech. vn đã tổng hợp được. Rất mong những kiến thức này có thể giải đáp những thắc mắc về vận tốc âm thanh của bạn.
Vận tốc truyền âm trong nước là bao nhiêu?
Vận tốc âm trong nước là 1500 m/s, trong không khí là 330 m/s, khi âm truyền từ không khí vào nước, bước sóng của nó tha?
Vận tốc ánh sáng trong không khí là bao nhiêu?
Vận tốc ánh sáng là bao nhiêu m/s? Tính đến ngày nay, các nhà khoa học thực nghiệm đều cho rằng vận tốc ánh sáng chính xác là 299.792.450 m/s. Vận tốc ánh sáng khi truyền trong không khí có giá trị bằng 300 000 000 m/s.
1 giây âm thanh đi được bao nhiêu km?
Trong không khí âm thanh có vận tốc bằng khoảng cách mà âm thanh truyền đi trong một đơn vị thời gian. Đối với điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ 25 độ C, vận tốc âm thanh trong không khí vào khoảng 343 m/s [mét trên giây] hoặc 1238 km/h [kilômét trên giờ].
Tốc độ truyền âm trong không khí kí hiệu là gì?
Tốc độ âm thanh tương đương với khoảng 1.234,8 km/h. Mach [M]: Đây là đơn vị đo tốc độ so với tốc độ âm thanh trong không khí. Một Mach tương đương với vận tốc âm thanh và được ký hiệu là Ma.