Viteza sunetului

 (Aeronava F/A-18 se apropie de viteza sunetului. Halo-ul alb este format din picături de apă condensate considerate a fi rezultatul unei scăderi a presiunii aerului în jurul aeronavei.)

Viteza sunetului este distanța parcursă pe unitatea de timp de o undă sonoră când se propagă printr-un mediu elastic. În aer uscat la 0 °C, viteza sunetului este de 331,2 metri pe secundă (1,192 km/h). La 20 °C, viteza sunetului este de 343 de metri pe secundă (1.235 km/h).

Viteza sunetului într-un gaz ideal depinde numai de temperatura și compoziția acestuia. Viteza are o dependență slabă de frecvența și presiunea din aerul obișnuit, deviind ușor de la comportamentul ideal.

În discursul obișnuit de zi cu zi, viteza sunetului se referă la viteza undelor sonore din aer. Cu toate acestea, viteza sunetului variază de la substanță la substanță: sunetul călătorește cel mai lent în gaze; călătorește mai repede în lichide; și încă mai rapid în solide. De exemplu, (după cum s-a menționat mai sus), sunetul se deplasează în aer cu 343 m/s, cu 1.484 m/s în apă (de 4,3 ori mai rapid decât în ​​aer), și cu 5.120 m/s în fier (aproximativ de 15 ori mai repede decât în ​​aer). Într-un material extrem de rigid, cum ar fi diamantul, sunetul călătorește cu 12.000 de metri pe secundă (aproximativ de 35 de ori mai rapid decât în ​​aer), situându-se în jurul vitezei maxime cu care sunetul se poate deplasa în condiții normale.

Undele sonore din solide sunt compuse din unde de compresie (la fel ca în gaze și lichide) și un tip diferit de undă sonoră numită undă de forfecare, care apare numai în solide. Undele elastice în substanțe solide se deplasează de regulă la viteze diferite, așa cum se arată în seismologie. Viteza undelor de compresie în solide este determinată de compresibilitatea mediului, de modul de forfecare și densitate. Viteza undelor de forfecare este determinată numai de modulul de forfecare al materialului solid și de densitate.

În dinamica fluidelor, viteza sunetului într-un mediu lichid (gaz sau lichid) este folosită ca o măsură relativă pentru viteza unui obiect care se deplasează prin mediu. Raportul dintre viteza unui obiect și viteza unui sunet în fluid se numește numărul Mach al obiectului. Obiectele care se mișcă la viteze mai mari decât Mach = 1 se spune că se deplasează la viteze supersonice.

Viteza sunetului depinde de mediul prin care trec undele și este o proprietate fundamentală a materialului. Primul efort semnificativ pentru măsurarea vitezei sunetului a fost făcut de Isaac Newton. El credea că viteza sunetului într-o anumită substanță este egală cu rădăcina pătrată a presiunii care acționează asupra ei împărțită la densitatea sa. Acest lucru a fost dovedit mai târziu greșit atunci când s-a constatat că derivă incorect viteza. Matematicianul francez Laplace a corectat formula prin deducerea faptului că fenomenul deplasării sunetului nu este izotermic, așa cum credea Newton, ci adiabatic. El a adăugat un alt factor la ecuație – gama – și a înmulțit √γ cu √(pρ), adică prin ecuația

c = √(γ·p/ρ).

Deoarece K = γ·p, ecuația finală a ajuns să fie

c = √(K/ρ),

care este, de asemenea, cunoscută sub denumirea de ecuația Newton-Laplace. În această ecuație, K = modulul elastic de masă, c = viteza sunetului și ρ = ​​densitatea. Astfel, viteza sunetului este proporțională cu rădăcina pătrată a raportului dintre modulul de masă al mediului și densitatea sa.

Aceste proprietăți fizice și viteza sunetului se schimbă în funcție de condițiile ambientale. De exemplu, viteza sunetului în gaze depinde de temperatură. În aerul la nivelul mării la 20 °C, viteza sunetului este de aproximativ 343 m/s (1230 km/h) folosind formula „v = (331 + 0,6 T) m/s„. În apă proaspătă, de asemenea la 20 °C, viteza sunetului este de aproximativ 1482 m/s (5.335 km/h). În oțel, viteza sunetului este de aproximativ 5.960 m/s (21.460 km/h). Viteza sunetului este, de asemenea, ușor sensibilă, fiind supusă unui efect anarmonic de ordinul doi, la amplitudinea sunetului, ceea ce înseamnă că există efecte de propagare neliniară, cum ar fi producția de armonici și tonuri mixte care nu sunt prezente în sunetul original.