固体、液体、空气声音传播速度比较

80 声音在密度高的物质中(例如在水或钢中)要比在空气中传播得快;但它在暖空气中又比在冷空气中传播得快,而暖空气的密度却比冷空气低,这是不是自相矛盾呢?固体液体气体那个传声最快

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们耳朵听到的声音,是由传播声音的原子或分子构成的媒质的振荡运动带来的振动所引起的。振动把附近的分子推到一起,并压缩这些分子。被压缩的分子在分开时,就在邻近区域引起压缩,这样,这种压缩区似乎是从声源向外传播,压缩波从声源向外传播的速度,就是声音在该媒质中传播的速度

声速取决于构成物质的分子的固有运动速度。例如,一旦空气的某一部分受到压缩,分子就会由于它们自身固有的无规运动再次分开,如果这种无规运动是快速的,那么受压缩部分的分子就会迅速分开,并快速地压缩邻近部分的分子。邻近部分的分子也快速分开,并快速地压缩下一部分。于是,总的说来,压缩波就很快地向外传播,因此声速就高

凡是能提高(或降低)空气分子固有速度的东西,都会提高(或降低)空气中的声速

巧得很,空气分子在较高的温度下比在较低的温度下运动得快些。正是由于这个原因,声音在暖空气中比在冷空气中传播得快些。这同密度没有任何关系

在0℃,也就是水的凝固点时,声音以每小时1193公里的速度传播。温度每升高1℃,速度每小时就提高约2.2公里

一般说来,如果构成气体的分子比空气分子轻,那么,这种气体的密度就要比空气低。较轻的分子运动得也较快。声音在这种轻的气体中传播的速度比在空气中快,这不是由于密度的改变,而是由于分子的运动较快。声音在0℃的氢气中的传播速度是每小时约4667公里

当我们说到液体和固体,情况就与气体大不相同了。在气体中,分子彼此相隔很远,几乎不互相干扰。如果分子受到推压而彼此更接近起来,它们仅仅是通过无规运动而彼此分开,但在液体和固体中,原子和分子是相互接触的。如果它们受推压而挤到一起,它们的互斥力就会非常快地迫使它再次分离

对于固体来说,尤其是这样。在固体中,原子和分子多少比较稳固地保持在各自的位置上。它们保持得越是稳固,它们被推压到一起时,弹回的速度就越快。因此,声音在液体中的传播速度比在气体中快;在固体中传播得更快;在刚性固体中则传播得最快。密度并不是声音传播快慢的根本原因

因此,声音在水中以每小时约5200公里的速度传播,在钢中则以大约每小时约18000公里的速度传播

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

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