Скорость звука в сухом воздухе при температуре 20 °C составляет примерно 343 метра в секунду, или около 1235 километров в час. Это не универсальная постоянная: при 0 °C значение близко к 331 м/с, в воде звук идёт примерно 1500 м/с, а в стали – около 5000–6000 м/с в зависимости от типа волны и свойств материала.
Почему звуку нужна среда
Звук – механическое возмущение. Частицы воздуха не летят от источника до уха, а колеблются около своих положений и передают соседям сжатие и разрежение. В вакууме нет частиц, поэтому обычный звук там не распространяется.
Чем упругее среда и чем легче её частицы отвечают на деформацию, тем быстрее передаётся возмущение. Плотность сама по себе не определяет результат. Твёрдые тела плотнее воздуха, но связи между их частицами намного жёстче, поэтому звук обычно идёт быстрее.
Что представляет собой звуковая волна, подробнее объясняется в статье «Что такое звук».
Температура воздуха
В газе скорость зависит прежде всего от температуры. В тёплом воздухе молекулы движутся быстрее, и изменение давления передаётся скорее. Около обычных температур удобно пользоваться приближением: к 331 м/с при 0 °C прибавляют примерно 0,6 м/с на каждый градус Цельсия.
Влажность и состав воздуха тоже влияют, но слабее. Высота действует косвенно через температуру. При одинаковой температуре само снижение атмосферного давления почти не меняет скорость идеального газа, хотя меняет плотность и интенсивность распространения.
Скорость в воде
В пресной воде при комнатной температуре звук распространяется примерно со скоростью 1480 м/с, а в морской часто около 1500 м/с. Точное значение зависит от температуры, солёности и давления. В океане оно обычно увеличивается с глубиной из-за давления, но холодный слой может сначала уменьшать скорость.
Изменение скорости изгибает путь лучей и создаёт подводные звуковые каналы. Сонары учитывают профиль температуры и солёности, иначе вычисленная глубина или расстояние окажется неверным.
Твёрдые материалы
В стали продольная волна может идти быстрее 5000 м/с, в стекле – около 5000 м/с, а в мягкой древесине значение зависит от направления волокон. В твёрдом теле существуют продольные, поперечные и поверхностные волны с разной скоростью.
Если приложить ухо к длинному рельсу, удар можно услышать через металл раньше, чем через воздух. Но реальные значения зависят от сплава, температуры, структуры и формы предмета, поэтому таблицы дают приближённые диапазоны.
Что такое число Маха
Число Маха – отношение скорости объекта к местной скорости звука. Мах 1 означает движение со скоростью звука именно в данных условиях. На большой высоте воздух холоднее, поэтому одна и та же скорость в километрах в час может соответствовать другому числу Маха.
Когда самолёт приближается к Маху 1, создаваемые им волны давления складываются. При сверхзвуковом движении возникает ударная волна, которую наблюдатель слышит как звуковой удар. Это не звук единственного момента «пробития барьера», а конус возмущения, сопровождающий самолёт.
Как измерить расстояние по задержке
Свет от молнии доходит практически мгновенно по сравнению со звуком. Если гром услышан через три секунды, гроза находится примерно в километре: 343 × 3 ≈ 1029 м. Такой расчёт даёт расстояние до участка разряда, но молния длинная, поэтому гром может продолжаться.
Эхо проходит путь до препятствия и обратно. Если ответ пришёл через две секунды, расстояние до стены равно 343 × 2 / 2, то есть около 343 м. Почему отражённый звук отделяется от исходного, раскрыто в статье о том, почему мы слышим эхо.
Ухо преобразует колебания давления в нервные сигналы, но воспринимаемая высота определяется частотой, а не скоростью распространения. Работа слуха разобрана в материале «Как человек слышит звук».
Итак, без указания среды и температуры вопрос не имеет одного ответа. Для бытовых расчётов в воздухе используют 343 м/с при 20 °C, для воды – около 1500 м/с, а для твёрдых материалов берут значение из справочника для конкретного вещества и типа волны.
