【原】空气中的声速

cansm0504lxy 2020-02-26

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在雷鸣电闪的雨天，我们总是先看到明亮的闪电，过一会儿才听到隆隆的雷声。这个现象告诉我们，声音在空气中的传播速度比光速慢得多。因此，我们可以用一个简单的办法来测量空气中的声速。当猎人向空中飞鸟举枪射击时，站在离他1500米远的观察者，先是看到了枪口冒出的青烟，接着看到飞鸟从空中落下，过一会儿才听到枪声。如果用秒表测得，从看到青烟到听见枪声，这段时间为4秒，则声速为

式中t为摄氏温度数值，V₀为0℃时的声速。（1）说明，声波在空气中的传播速度仅是温度的函数，它与温度的平方根成正比，其图像如图1所示。

图1

当t=0℃时，由（1）式可算出声速为331米／秒，与实验测得的数据吻合。下表给出了几种气体在标准状态下的声速。

标准状态下几种气体中的声速

空气 331.45	甲烷 432
一氧化碳 337.1	氖 435
二氧化碳 259.0	氨 415
氧 317.2	氦 970
氢 1269.5	氦 337

空气是可以压缩的。当空气的质量一定时，压力和密度成正比，所以压力改变时，密度也按比例改变，声速不受影响。当空气中有水蒸汽时，会影响空气中的声速，水蒸汽的密度只有干燥空气密度的0.62倍。潮湿空气比干燥空气的密度小，所以湿度增加时，声速也增加，但这种影响不大，可以忽略不计。

在（1）的推导过程中，是把空气作为理想气体处理的。实际上，地球周围的大气层并不像理想气体那样是均匀的、静止的，几乎每天都有风，大气的温度随着高度而改变，白天和夜间的温度梯度也不一样，此外，大气中还常常有湍流，不同地区气象变幻无常，这些因素都会影响声波在大气中的传播，情况十分复杂，因此（1）式计算出的声速有一定的近似性。

在通常情况下，空气温度每升高1℃，声速大约增加0.6米／秒，因此，在要求不高的场合，可以用下面的经验公式做近似计算：

V=331+0.6t　　　　　　　　（2）

式中t为升高的温度数值，单位为℃。

（2）式表示，空气中的声速与温度近似成线性关系，其图像如图2所示

图2

用来表示声波传播方向的线叫做声线，它总是与声波的波面垂直，在不同的介质中，声速是不同的，当声波从一种介质进入另一种介质时，将发生折射并遵循折射定律。温度不同的两层空气具有不同的声速，温度较低的空气层中声速较小，温度较高的空气层中声速较大，因而可以将它们看成两种不同的介质，当声音从低温层向高温层传播时，折射角大于入射角，

当入射角达到某一临界角时，会发生全反射现象，声线不再进入更高一层大气，而开始向下反射，图3中的P点就是这样的临界点。反之，当声音从高温层向低温层传播时，折射角小于入射角，声线将向上弯曲（图4）。

图3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4

这种由于大气层中温度不均匀，因而声速不同，造成的折射现象，对声音在空气中的传播会产生很大影响。

白天，太阳把地面晒热。特别是炎热的夏天，地面被晒得滚烫，靠近地面的低空大气，温度较高，高空大气，温度较低，地面上的声音发出的声波被折射时声线向上方弯曲，在离声源稍远一点儿的地方，声音就听不到了，形成了静区（图5）.

图5

夜间的情况正相反。在日落之后，地面迅速变冷，靠近地面的低层大气温度也随着下降。因而离地面越高，温度也越高，地面上的声源发出的声波折射时，声线向下弯曲（图6）.

图6

这些声线经过一段距离后，折射到地面再被地面反射回来，反射线的方向是向上的，这些反射波再次被折射，仍然向下弯曲，于是形成一个个拱形的声线，并由地面一次次的反射，声波就像图7那样，始终贴着地面一跳一跳的前进。在拱形的下方形成若干个不连续的静区。声波的能量集中在地面附近，不会扩散到空中去，因此夜间声音可以传的很远，而且有时会出现近处听不到的声音，远处却能听到的有趣现象。

图7

有风时，实际的声速是平均声速与风速的矢量和。顺风时，风速与声速方向相同，合成声速比平均声速大。逆风时，风速与声速方向相反，合成声速比平均声速小。靠近地面的大气与地面摩擦，使风速逐渐减小，但是对风速影响较小。高空的风速较大，对声速的影响也较大。无风时，声线是从声源辐射出去的直线，波面是一组同心球面（图8）。