Was ist die Schallgeschwindigkeit?
In der Erdatmosphäre beträgt die Schallgeschwindigkeit 343 Meter pro Sekunde; oder ein Kilometer mit 2, 91 pro Sekunde oder eine Meile mit 4, 69 pro Sekunde.
Die Schallgeschwindigkeit in einem idealen Gas hängt nur von seiner Temperatur und Zusammensetzung ab. Die Geschwindigkeit ist schwach frequenz- und druckabhängig und weicht etwas vom idealen Verhalten ab.
Was ist die Schallgeschwindigkeit?
Normalerweise bezieht sich die Schallgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen durch die Luft bewegen. Die Schallgeschwindigkeit variiert jedoch je nach Substanz. Beispielsweise bewegt sich Schall in Gasen langsamer, in Flüssigkeiten schneller und in Festkörpern sogar noch schneller.
Wenn die Schallgeschwindigkeit in der Luft 343 Meter pro Sekunde beträgt, bedeutet dies, dass sie sich im Wasser mit 1.484 Metern pro Sekunde und im Eisen mit etwa 5.120 Metern pro Sekunde bewegt. In einem außergewöhnlich harten Material, wie zum Beispiel Diamant, bewegt sich der Schall mit 12.000 Metern pro Sekunde. Dies ist die höchste Geschwindigkeit, mit der sich der Ton unter normalen Bedingungen fortbewegen kann.
Schallwellen in Festkörpern bestehen aus Kompressionswellen - ähnlich wie in Gasen und Flüssigkeiten - und einer anderen Art von Welle, die als Rotationswellen bezeichnet wird und nur in Festkörpern vorhanden ist. Rotationswellen in Festkörpern bewegen sich normalerweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Die Geschwindigkeit der Kompressionswellen in den Festkörpern wird durch die Kompressibilität, die Dichte und den Querelastizitätsmodul des Mediums bestimmt. Die Geschwindigkeit der Rotationswellen wird nur von der Dichte und dem E-Modul des Moduls bestimmt.
In dynamischen Flüssigkeiten wird die Schallgeschwindigkeit in einem flüssigen Medium, ob Gas oder Flüssigkeit, als relatives Maß für die Geschwindigkeit eines Objekts verwendet, das sich durch das Medium bewegt.
Das Verhältnis der Geschwindigkeit eines Objekts zur Lichtgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit wird als Märzzahl eines Objekts bezeichnet. Objekte, die sich schneller als am 1. März bewegen, werden als Objekte bezeichnet, die sich mit Überschallgeschwindigkeit fortbewegen.
Grundlegende Konzepte
Die Schallübertragung kann anhand eines Modells veranschaulicht werden, das aus einer Reihe von Kugeln besteht, die durch Drähte miteinander verbunden sind.
Im wirklichen Leben repräsentieren die Kugeln die Moleküle und die Fäden die Verbindungen zwischen ihnen. Der Schall durchläuft das Modell, komprimiert und expandiert die Drähte und überträgt Energie auf die benachbarten Kugeln, die wiederum die Energie auf ihre Fäden und so weiter übertragen.
Die Schallgeschwindigkeit durch das Modell hängt von der Steifigkeit der Fäden und der Masse der Kugeln ab.
Solange der Abstand zwischen den Kugeln konstant ist, übertragen die steiferen Fäden Energie schneller und Kugeln mit mehr Masse übertragen Energie langsamer. Effekte wie Streuung und Reflexion können mit diesem Modell ebenfalls verstanden werden.
In jedem realen Material wird die Steifheit der Fäden als Elastizitätsmodul bezeichnet und die Masse entspricht der Dichte. Wenn alle anderen Faktoren gleich sind, wird der Klang bei schwammigen Materialien langsamer und bei steiferen Materialien schneller.
Beispielsweise bewegt sich Schall 1, 59-mal schneller durch Nickel als durch Bronze, da die Steifigkeit von Nickel bei gleicher Dichte größer ist.
In ähnlicher Weise breitet sich Schall in einem leichten Wasserstoffgas (Protium) 1, 41-mal schneller aus als in einem schweren Wasserstoffgas (Deuterium), da schweres Gas ähnliche Eigenschaften aufweist, jedoch die doppelte Dichte aufweist.
Gleichzeitig wird der "Kompressionstyp" -Schall in Feststoffen schneller als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten schneller als in Gasen übertragen.
Dieser Effekt beruht auf der Tatsache, dass Feststoffe schwieriger zu komprimieren sind als Flüssigkeiten, während Flüssigkeiten schwieriger zu komprimieren sind als Gase.
Kompressionswellen und Rotationswellen
In einem Gas oder einer Flüssigkeit besteht Schall aus Kompressionswellen. In Festkörpern breiten sich Wellen durch zwei verschiedene Arten von Wellen aus. Eine Longitudinalwelle ist mit Kompression und Dekompression in Fahrtrichtung verbunden; es ist der gleiche Vorgang in Gasen und Flüssigkeiten mit einer analogen Kompressionswelle in Festkörpern.
In Gasen und Flüssigkeiten existieren nur Kompressionswellen. Eine zusätzliche Art von Welle, Transversalwelle oder Rotationswelle genannt, tritt nur in Festkörpern auf, da nur Festkörper elastischen Verformungen standhalten können.
Dies liegt daran, dass die elastische Verformung des Mediums senkrecht zur Laufrichtung der Welle verläuft. Die Richtung der deformierten Rotation wird als Polarisation dieses Wellentyps bezeichnet. Im Allgemeinen treten Transversalwellen als Paar orthogonaler Polarisationen auf.
Diese verschiedenen Arten von Wellen können bei derselben Frequenz unterschiedliche Geschwindigkeiten haben. Sie können daher zu unterschiedlichen Zeiten einen Beobachter erreichen. Ein Beispiel für diese Situation sind Erdbeben, bei denen die akuten Kompressionswellen zuerst und die oszillierenden Transversalwellen Sekunden später eintreffen.
Die Kompressionsgeschwindigkeit von Wellen in einem Fluid wird durch die Kompressibilität und Dichte des Mediums bestimmt.
In Festkörpern sind Kompressionswellen in Abhängigkeit von der Kompressibilität, Dichte und zusätzlichen Faktoren des Querelastizitätsmoduls analog zu denen in Flüssigkeiten.
Die Geschwindigkeit der Rotationswellen, die nur in Festkörpern auftreten, wird nur durch den Querelastizitätsmodul und die Dichte des Moduls bestimmt.
