声速,又称为音速,说的就是声音传播的速度,虽然我们常会把音速和光速放在一起来说,但二者是截然不同的。

光在真空的传播速度是最快的,且恒定不变,而在其它介质中传播时,速度会出现不同程度的下降,但音速则恰好相反,声音在真空中是无法传播的,它的传播需要介质,而且介质的密度越高,声音传播的速度就越快。

平时里,我们常会将一些物体的移动速度与音速来进行对比,比如超音速飞机,而在这些情况之下,我们所说的音速指的都是标准条件下的音速,也就是在一个标准大气压之下、15摄氏度的环境之中,此时的音速为每秒340米。如果上述条件发生变化,那么声音的传播速度也会随之变化,而且差异会很大。为什么声音在不同的介质中传播的速度会存在很大差异呢?这是由声音的本质决定的。

声音与光不同,光是一种物质,也就是由一个个光子所组成的,但声音不是,声音是一种振动,而声音的传播实际上就是震动在介质中造成的微弱压强扰动的传播。

从声音的本质可知,当介质的密度越高、温度越高、环境压强越大,声音的传播速度也就越快。比如在地球表面,随着高度的增加,声音的传播速度就会逐渐减慢,比如在万米高空之上,声音的传播速度还不足每秒300米。相比环境压强而言,介质的密度对于声音的传播速度影响更大,比如声音在水中的传播速度可以达到每秒1497米,是空气中传播速度的4倍多。声音在水中传播的速度就已经如此之快了,但如果传播介质时固体,那么速度会更加惊人,比如当水变成冰,声音在其中的传播速度就可以达到每秒3230米,这已经是空气中传播速度的近10倍了。

冰虽然是固体,但毕竟不够坚硬,如果将传播介质换成更为坚硬的钢铁又会如何呢?它的速度将达到每秒5200米。

声音在钢铁中的传播速度虽快,但距离声音传播的极限速度还差得远,那么声音到底能够跑多快呢?又需要何种介质呢?

别急,先来了解一下声音传播的内在原理,从宏观角度来看,声音的传播就是震动在介质中造成的微弱压强扰动的传播,而从微观角度来看,这种传播是基于原子之间的电磁相互作用,而原子和分子之间的距离越近,电磁作用传播所需的时间就越少,所以传播速度也就越快。随着研究的深入,科学家们又发现,原子的质量与声音传播速度之间存在着密切的联系,原子的质量越低,声音传播的速度就越快。

何种原子的质量最低?当然是氢原子,不过我们日常所见的氢都是以气体形式存在的,而气体的密度是相对较低的,所以声音在氢气之中的传播速度不可能太快。

不过没有关系,物质的形态是可以发生改变的。如果我们能够使温度和压力增加,那么氢则会有气态转化为液态,也就是我们常说的液态氢,如果我们进一步加温加压,液态氢则会转变为固态,而固态的氢会呈现出类似于金属的特性,所以我们又将其称之为金属氢。金属氢的密度极高,且氢原子又是质量最低的原子,所以声音在金属氢中的传播速度就是最快的,根据计算,声音在金属氢中的传播速度可以达到每秒36公里。这个速度是其它任何介质都难以企及的。那么这个速度为什么是计算出来的,而不是测量出来的呢?因为在地球上没有金属氢。

要想让氢元素呈现为具有金属性质的固体,需要极大的压强,这在地球上,这样的条件很难实现。

当然,现在人类已经可以在实验室中制造出金属氢,不过即便制造出来了,很快也便会失去。虽然地球上没有金属氢,也无法长期保存金属氢,但在地球之外,有些星球上却存在着大量的金属氢,比如木星。

木星是太阳系中最大的气态行星,而在木星之上,氢气是大气中最主要的成分。虽说是气态行星,但木星并非从内到外都是气态的。由于木星太大了,所以越是向内部深入,压力就越大,于是氢气逐渐化为液态,所以在木星浓密的大气之下是一片氢的海洋,而在海洋之下,由于压力更大,所以液态氢又逐渐转化为固态,成为了金属氢。可见,在木星的内部,声音的传播速度是最快的。

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来源: 原创

声速在不同介质中的差异很大,最高声速是多少,需要何种介质?

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声音与光不同,光是一种物质,也就是由一个个光子所组成的,但声音不是,声音是一种振动,而声音的传播实际上就是震动在介质中造成的微弱压强扰动的传播。