Was ist die Schallgeschwindigkeit?

In der Erdatmosphäre, der Schallgeschwindigkeit es ist 343 Meter pro Sekunde; oder ein Kilometer bei 2,91 pro Sekunde oder eine Meile bei 4,69 pro Sekunde.

Die Schallgeschwindigkeit in einem idealen Gas hängt nur von seiner Temperatur und Zusammensetzung ab. Die Geschwindigkeit hat eine schwache Abhängigkeit von der Frequenz und vom Druck in der gewöhnlichen Luft, die ein wenig vom idealen Verhalten abweicht.

Wie ist die Schallgeschwindigkeit?

Normalerweise bezieht sich die Schallgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit, mit der Schallwellen durch die Luft strömen. Die Schallgeschwindigkeit variiert jedoch je nach Substanz. Zum Beispiel bewegt sich Schall in Gasen langsamer, in Flüssigkeiten schneller und in Feststoffen sogar schneller.

Wenn die Schallgeschwindigkeit 343 Meter pro Sekunde in der Luft beträgt, bedeutet dies, dass sie sich mit 1.484 Metern pro Sekunde in Wasser und mit etwa 5.120 Metern pro Sekunde in Eisen 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 Klang unter normalen Bedingungen bewegen kann.

Schallwellen in Festkörpern bestehen aus Druckwellen - ähnlich wie in Gasen und Flüssigkeiten - und aus einer anderen Art von Welle, die Rotationswellen genannt werden und nur in Festkörpern vorkommen. Rotationswellen in Festkörpern bewegen sich normalerweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Die Geschwindigkeit der Kompressionswellen in den Festkörpern wird durch die Kompressibilität, die Dichte und den transversalen Elastizitätsmodul des Mediums bestimmt. Die Geschwindigkeit der Rotationswellen wird nur durch die Dichte und den Querelastizitätsmodul des Moduls bestimmt.

In dynamischen Flüssigkeiten wird die Schallgeschwindigkeit in einem flüssigen Medium, entweder Gas oder Flüssigkeit, als relatives Maß für die Geschwindigkeit eines sich durch das Medium bewegenden Objekts verwendet.

Das Verhältnis der Geschwindigkeit eines Objekts zur Lichtgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit wird als March Number eines Objekts bezeichnet. Objekte, die sich schneller als am 1. März bewegen, werden als Objekte bezeichnet, die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegen.

Grundlegende Konzepte

Die Übertragung von Schall kann unter Verwendung 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 Klang durchläuft das Modell, komprimiert und erweitert die Fäden und überträgt Energie auf die benachbarten Kugeln, die wiederum die Energie an ihre Fäden übertragen und so weiter.

Die Schallgeschwindigkeit durch das Modell hängt von der Steifigkeit der Gewinde und der Masse der Kugeln ab.

Solange der Abstand zwischen den Kugeln konstant ist, übertragen die steiferen Fäden schneller Energie und die Kugeln mit mehr Masse übertragen Energie langsamer. Effekte wie Dispersion und Reflexion können auch mit diesem Modell verstanden werden.

In jedem realen Material wird die Steifigkeit der Fäden als Elastizitätsmodul bezeichnet und die Masse entspricht der Dichte. Wenn alle anderen Dinge gleich sind, wird der Klang bei schwammigen Materialien langsamer und bei steiferen Materialien schneller.

Beispielsweise bewegt sich der Schall 1,59 mal schneller durch Nickel als durch Bronze, da die Steifigkeit von Nickel bei gleicher Dichte größer ist.

In ähnlicher Weise bewegt sich Schall in einem leichten Wasserstoffgas (Protium) 1,41 mal schneller als in einem schweren Wasserstoffgas (Deuterium), da schweres Gas ähnliche Eigenschaften hat, aber die doppelte Dichte aufweist.

Gleichzeitig wird der "Kompressionstyp" bei Feststoffen schneller als bei Flüssigkeiten und bewegt sich schneller in Flüssigkeiten als in Gasen.

Dieser Effekt beruht auf der Tatsache, dass Feststoffe schwieriger komprimierbar sind als Flüssigkeiten, während Flüssigkeiten andererseits schwieriger zu komprimieren sind als Gase.

Kompressionswellen und Rotationswellen

In einem Gas oder einer Flüssigkeit besteht der Schall aus Kompressionswellen. In Festkörpern breiten sich Wellen durch zwei verschiedene Arten von Wellen aus. Eine Longitudinalwelle ist mit Kompression und Dekompression in der Bewegungsrichtung verbunden; es ist derselbe Vorgang in Gasen und Flüssigkeiten, mit einer analogen Kompressionswelle in Festkörpern.

In Gasen und Flüssigkeiten existieren nur Kompressionswellen. Eine zusätzliche Art von Welle, genannt Transversalwelle oder Rotationswelle, tritt nur in Festkörpern auf, da nur Feststoffe elastischen Verformungen widerstehen können.

Dies liegt daran, dass die elastische Verformung des Mediums senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle ist. Die Richtung der verformten Rotation wird als Polarisation dieser Art von Wellen bezeichnet. Im Allgemeinen treten Transversalwellen als ein Paar orthogonaler Polarisationen auf.

Diese verschiedenen Arten von Wellen können unterschiedliche Geschwindigkeiten bei derselben Frequenz haben. Daher können sie einen Beobachter zu unterschiedlichen Zeiten erreichen. Ein Beispiel für diese Situation tritt bei Erdbeben auf, wo die akuten Kompressionswellen zuerst ankommen und die oszillierenden Transversalwellen Sekunden später ankommen.

Die Kompressionsgeschwindigkeit von Wellen in einem Fluid wird durch die Komprimierbarkeit und Dichte des Mediums bestimmt.

In Festkörpern sind Kompressionswellen analog zu denen in Flüssigkeiten, abhängig von der Kompressibilität, Dichte und zusätzlichen Faktoren des transversalen Elastizitätsmoduls.

Die Geschwindigkeit der Rotationswellen, die nur in Festkörpern auftreten, wird nur durch den Querelastizitätsmodul und die Moduldichte bestimmt.

Referenzen

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