声波速度(声波速度公式)

近期发表在《科学进展》（ScienceAdvances）期刊上的研究称，声波在介质中传播速度的上限是每秒36公里。

人们可能从生活中已经体验到，声波在固体内传播的速度比在液体或气体内快得多。这就是为什么人们匍匐在铁轨上，可以先听到远方火车到来的声音，而从空气中传来的声音晚到很多。

这份研究发现，介质材料的原子质量越大，声波传播的速度越小。所以这个研究组推测声波在固态氢内部传播的速度将是最快的，并计算得到这个结果。这个速度是声波在地球上最坚硬的固体——钻石内传播速度的两倍。

各种波，比如声波、光波，都是能量从一个地点传向另一个地点过程中在空间中的振动形式。爱因斯坦的相对论认为，任何能量波传播的速度极限值和光线的速度一样，大约是每秒30万公里。

这份由伦敦大学玛丽王后学院（QueenMaryUniversityofLondon）、剑桥大学和波兰高压物理研究所（InstituteforHighPressurePhysics）合作完成的研究认为，声波速度的上限取决于两个基础常数：精细结构常数，以及质子与电子的质量比。

这两个常数在核反应，比如质子衰变、恒星内部核聚变过程、恒星系统内宜居带的探索等诸多自然领域都起着重要的作用。

这项研究发现这两个常数在材料科学、凝聚态物理学等领域也扮演着重要的角色，比如，它们限制着声波的上限。

研究人员用大量不同的材料进行实验，证实了他们认为声波的速度随着传播介质内原子质量的增加而下降的猜测。由此推测，声波在固态氢内传播速度应该是最快的。

要想让氢元素呈现固态，需要在百万倍的大气压下，气态巨星木星内部可能具有那样的环境。在那样的状态下，氢元素变成奇异的金属导体，就像铜一样。科学家认为那样状态的氢元素在室温下就具有超导的特性。

于是，研究人员使用量子力学进行计算，得到了声波在固态氢内接近理论极限值的传播速度。

剑桥大学材料科学教授皮卡德（ChrisPickard）说：“固体内的声波在很多领域都有着重要的意义。

比如，来自地球深处地震的声波可用于研究地震以及地球内部的结构。

材料科学家对它们也很感兴趣，因为声波与张力特性、抗压性都相关。

”

声波速度公式

声波的多普勒效应及其公式

以人耳在空气中听到声源发出的声波作为讨论基础。

由此得到的结果，适于所有的经典力学中的机械波。

设空气中的声源振动频率为fs，空气中的声波速度为c，人耳听到声波频率fr，与人和声源相对空气的运动方式，运动速度均有关。

假设人和声源的运动沿着二者连线，相对于空气的速度分别为vr，vs；声源的振动频率fs和声速c分别由声援和介质所决定，可以认为是不变量。

vr，vs是相互独立的变量，fs与fr将随着vr，vs发生改变；fs与fr的差异表现为多普勒效应现象。

第一种情况：声源静止，人相对于声源以速度vr运动。此时空气中的波长λ理解为声波中，2相邻波峰之间的距离，为不变量。对于波源，按照波速公式：

c=fsλ<1>

声源相对于人的传播速度为c±vr，人耳听到的声波频率fr符合。

c±vr=frλ<2>

式中加号表示人靠近声源，减号表示人远离声源。联立上面2式，得：

表明，当人靠近声源时，听到的声波频率增大；远离声源时，听到的声波频率减小。

第二种情况：人静止，声源相对于人以速度vs运动。此时空气中的波长将会发生改变，沿着声源的运动方向，在声源前面，波面变得密集，波长变短；在声源后面，声波的波面变得稀疏，波长变长：

声波从波源发出后，在空气中独立地传播，其传播速度c与声源无关。因为人静止在空气中，所以声波相对于人的传播速度仍为c，而人听到的声波频率则因波长变化而变为fr，符合波速公式：

联立上面2式得：

式中减号表示声源靠近人运动，加号表示声源远离人运动。

表明，当声源靠近人时，听到的声波频率增大，远离人时，听到的声波频率减小。

第三种情况：人与声源都运动，空气中声波波长如<2>所示为。

，减号表示声源靠近人，加号表示声源远离人。

声波从声源发出后，波速不变仍为c，但是由于人相对于声源靠近或者远离，声源相对于人的传播速度如<4>所示为，加号表示人靠近波源，减号表示远离波源。

从上面2式中消去λ″：

表示在一般情况下，空气中声波的多普勒效应公式。<3>和<6>是一般公式<7>的特例。

从公式中可知，人和波源相对静止时（人与波源同向同速运动，公式中分子分母取同样符号），人听到的声波频率与声源频率相同。

人与声源相对运动时，人听到的声源频率将要发生变化：相对靠近时，听到的声波频率升高，相对远离时，频率降低。

多普勒效应公式的使用条件是，声源相对空气的速度比空气中的声速足够小。当声源速度与声速接近时，必须对公式加以修正；而当声源速度大于声速时，多普勒效应公式失效。

多普勒效应公式的建立，根据是波速公式。在波速公式中各量都与测量有关，并且由测量所确定。因此对同一列机械波，不同观测者测出的结果不同。值得注意的是，这种差异绝非测量误差造成，而是具有更深刻的物理背景。

经典物理学旨在描述物理现象，概括经验事实，归纳实验结果，从而试图找出相应的物理规律。

因此经典物理学很大程度上是一种“唯象”的理论体系，它不回答诸如“本质如何”之类的形而上问题，而是像多普勒效应公式的建立那样，只对人耳听到的声波频率做出合乎逻辑的自圆其说。