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聲速為什麼在不同介質中不同

生活 更新时间:2025-04-24 15:25:19

聲速,又稱為音速,說的就是聲音傳播的速度,雖然我們常會把音速和光速放在一起來說,但二者是截然不同的。

光在真空的傳播速度是最快的,且恒定不變,而在其它介質中傳播時,速度會出現不同程度的下降,但音速則恰好相反,聲音在真空中是無法傳播的,它的傳播需要介質,而且介質的密度越高,聲音傳播的速度就越快。

平時裡,我們常會将一些物體的移動速度與音速來進行對比,比如超音速飛機,而在這些情況之下,我們所說的音速指的都是标準條件下的音速,也就是在一個标準大氣壓之下、15攝氏度的環境之中,此時的音速為每秒340米。如果上述條件發生變化,那麼聲音的傳播速度也會随之變化,而且差異會很大。為什麼聲音在不同的介質中傳播的速度會存在很大差異呢?這是由聲音的本質決定的。

聲速為什麼在不同介質中不同(聲速在不同介質中的差異很大)1

聲音與光不同,光是一種物質,也就是由一個個光子所組成的,但聲音不是,聲音是一種振動,而聲音的傳播實際上就是震動在介質中造成的微弱壓強擾動的傳播。

從聲音的本質可知,當介質的密度越高、溫度越高、環境壓強越大,聲音的傳播速度也就越快。比如在地球表面,随着高度的增加,聲音的傳播速度就會逐漸減慢,比如在萬米高空之上,聲音的傳播速度還不足每秒300米。相比環境壓強而言,介質的密度對于聲音的傳播速度影響更大,比如聲音在水中的傳播速度可以達到每秒1497米,是空氣中傳播速度的4倍多。聲音在水中傳播的速度就已經如此之快了,但如果傳播介質時固體,那麼速度會更加驚人,比如當水變成冰,聲音在其中的傳播速度就可以達到每秒3230米,這已經是空氣中傳播速度的近10倍了。

聲速為什麼在不同介質中不同(聲速在不同介質中的差異很大)2

冰雖然是固體,但畢竟不夠堅硬,如果将傳播介質換成更為堅硬的鋼鐵又會如何呢?它的速度将達到每秒5200米。

聲音在鋼鐵中的傳播速度雖快,但距離聲音傳播的極限速度還差得遠,那麼聲音到底能夠跑多快呢?又需要何種介質呢?

别急,先來了解一下聲音傳播的内在原理,從宏觀角度來看,聲音的傳播就是震動在介質中造成的微弱壓強擾動的傳播,而從微觀角度來看,這種傳播是基于原子之間的電磁相互作用,而原子和分子之間的距離越近,電磁作用傳播所需的時間就越少,所以傳播速度也就越快。随着研究的深入,科學家們又發現,原子的質量與聲音傳播速度之間存在着密切的聯系,原子的質量越低,聲音傳播的速度就越快。

聲速為什麼在不同介質中不同(聲速在不同介質中的差異很大)3

何種原子的質量最低?當然是氫原子,不過我們日常所見的氫都是以氣體形式存在的,而氣體的密度是相對較低的,所以聲音在氫氣之中的傳播速度不可能太快。

不過沒有關系,物質的形态是可以發生改變的。如果我們能夠使溫度和壓力增加,那麼氫則會有氣态轉化為液态,也就是我們常說的液态氫,如果我們進一步加溫加壓,液态氫則會轉變為固态,而固态的氫會呈現出類似于金屬的特性,所以我們又将其稱之為金屬氫。金屬氫的密度極高,且氫原子又是質量最低的原子,所以聲音在金屬氫中的傳播速度就是最快的,根據計算,聲音在金屬氫中的傳播速度可以達到每秒36公裡。這個速度是其它任何介質都難以企及的。那麼這個速度為什麼是計算出來的,而不是測量出來的呢?因為在地球上沒有金屬氫。

聲速為什麼在不同介質中不同(聲速在不同介質中的差異很大)4

要想讓氫元素呈現為具有金屬性質的固體,需要極大的壓強,這在地球上,這樣的條件很難實現。

當然,現在人類已經可以在實驗室中制造出金屬氫,不過即便制造出來了,很快也便會失去。雖然地球上沒有金屬氫,也無法長期保存金屬氫,但在地球之外,有些星球上卻存在着大量的金屬氫,比如木星。

木星是太陽系中最大的氣态行星,而在木星之上,氫氣是大氣中最主要的成分。雖說是氣态行星,但木星并非從内到外都是氣态的。由于木星太大了,所以越是向内部深入,壓力就越大,于是氫氣逐漸化為液态,所以在木星濃密的大氣之下是一片氫的海洋,而在海洋之下,由于壓力更大,所以液态氫又逐漸轉化為固态,成為了金屬氫。可見,在木星的内部,聲音的傳播速度是最快的。

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