音速(speed of sound)亦称声速,指声波在媒质(介质)中传播的速度。音速的大小,同媒质的性质和状态(如温度)有关。音速在空气动力学中解释为微弱扰动波在介质中传播的速度,是气体动力学中一个最基本的参数,它与气体的状态、压缩性等有密切的关系,压缩性越小、温度越高的介质,其中的音速越大。一般用音速来衡量气体流动的快慢。
在大气对流层中,气温随高度增加而降低,故音速随高度增加而减小。音速是重要的基准值,如空气流动规律和飞机空气动力特性在流速(或飞行速度)大于或小于音速时大不相同。由于波速的定义是 “波上某一点(如压缩区或稀疏区)单位时间内传播的距离”,因此音速的常用单位为 “米/秒”(缩写为 m/s)。空气、液体、固体等都是声音的介质,音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。空气中的音速,在标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒。
定义
声音来源于物体的振动。当物体振动时,带动周围的空气发生微弱变化,使空气的压力、密度周期性地变化,这种变化依次向外传播,一般称为扰动波。变化到达的位置称为波面。因为此类扰动波中的变量(如压力等)变化很小,所以称之为微弱扰动波。微弱扰动波会以一定的速度向四周传播,其速度就是音速,用符号a表示。
音速,也叫声速,指声波在媒质(介质)中传播的速度。其大小因媒质的性质和状态而异。声速顾名思义即是声音的速度,由于声音是以波的形式传播,故与一般所理解物体的速度是不同的,所以与其将音速称为声音的速度,倒不如将音速视为波传递速度的指标,音速与传递介质的材质状况有关,而与声源本身的速度无关,发声者与听者间若有相对运动关系,就形成了都卜勒效应。也由此观点,穿/超音速时的诸多物理现象,其实与声音无关,而是纵波密集累积所产生的物理现象。
计算公式
通过质量守恒定律与动量守恒定律进行分析可得出:音速(用符号a表示)等于比热容比(γ)、气体常数(R)与温度(T)三者乘积的平方根,其数学表达式为:a = √(γRT)。
音速的大小,同媒质的性质和状态(如温度)有关。在空气动力学中,常指微弱扰动在空气中传播的速度,可由公式米/秒(T是空气的温度,单位为K)计算其值。
需注意,音速计算中所采用的温度必须是绝对温标(开尔文温标 Kelvin 或朗肯温标 Rankine)下的温度值。声速对气体种类的依赖性,体现在气体常数(R)与比热容比(γ)这两个参数中:其中气体常数(R)等于普适气体常数(universal gas constant)除以该气体的摩尔质量(molecular weight)。
音速的基本计算公式为:(表示气体压力,表示密度)
传播介质
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。音速,指声波在介质中传播的速度。除了空气可以传递声音之外,液体和固体也都是声音的介质,且因为液体、固体的分子排列更为紧密,传递声音的速度也比空气快。音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。
传播速度
音速的大小因媒质的性质和状态而异。一般说来,音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。空气中的音速,在标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒,即1224公里/小时。音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学特性,在飞行速度小于音速和大于音速的情况下,具有巨大的差别,因此,研究航空器在大气中的运动,音速是一个非常重要的基准值。
影响因素
气体中微小扰动的传播,是由气体内无规则运动的分子相互碰撞实现的。这一传播过程属于等熵过程—— 即扰动经过气体后,气体本身的状态(如温度、压强等)与扰动传播前保持一致。由于扰动的传播速度取决于分子碰撞,因此音速也与气体的状态密切相关。在特定气体中,音速是一个恒定值,但该恒定值的大小取决于两个因素:一是气体的种类(如空气、纯氧、二氧化碳等),二是气体的温度。
空气中的音速取决于气体种类与气体温度。在地球上,大气主要由双原子分子构成(氮气与氧气为主),且温度随平均海拔的变化规律较为复杂。为此,科学家与工程师建立了大气数学模型,以量化温度随海拔变化对音速产生的影响。
相关示例
以音叉为例,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,把这种波叫做“纵波”。
航空领域
关联
空气流动的规律和飞机的空气动力学特性,在飞行速度小于音速和大于音速的情况下具有质的差别,因此,研究飞机在大气中的运动,音速是一个非常重要的基准值。空气中音速是压缩性的基本参数,越大表示越不易压缩。在可压缩流中,只有将流动速度与音速进行比较才能表明压缩性是大或是小。马赫(Ma)是衡量空气压缩性影响的最重要参数。
根据马赫数的大小,通常将气体流动分为三种不同的类型:
实例
1964年5月11日,以每小时3200公里速度飞行的B-70轰炸机在加利福尼亚州帕默达尔北方美国飞机厂正式露面,而该飞机起飞前的研究工作并不为人所知。
在耗资13.4亿美元的空军工程中,按计划只能再生产一架这类飞机。该机设计能力为在20000米上空飞行6000英里,它为飞机的性能创造了新的标准。但批评者们认为它的技术是过时了的。飞机的支持者反驳说B-70开创了使用轻金属钛的先例,其中有6吨钛用于飞机机体前身。可以相信,机重275吨的B-70是迄今建造的飞机最重的,由6部喷气发动机作动力,进气口大到足以使一个身高1.8的人直立其中。B-70于1964年9月21日首次试飞,而在后续飞行测试过程创下21500米高度,3倍音速巡航速度的世界纪录。
Speed of Sound.nasa.2025-09-12
speed of sound.sciencenotes.2025-09-12
音速.国家国防科技工业局.2025-09-11
搜狐:1964年5月11日 3倍音速的B70轰炸机首航,2010年05月11日.news.sohu.com.2010-05-11
视频:北美航空的最后结晶XB-70“女武神”轰炸机.百家号.2025-09-11