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声音的产生
在平流层下部,气温不随高度而变,音速也不变,为295.2米/秒。空气流动的规律和飞机的空气动力特性,在飞行速度小于音速和大于音速的情况下,具有质的差别,因此,研究航空器在大气中的运动,音速是一个非常重要的基准值。
音速不是一个固定的值. 在干燥空气中, 音速的经验公式是:
音速 u=331.3+(0.606c)m/s (c=摄氏气温)
常温下(15℃), 音速为 u=331.3+(0.606x15)= 340.4m/s, 这就是为什么都说音速是 340m/s (1225km/h)的缘故. 潮湿空气的音速略有增加, 但是幅度不到0.5%, 大多数场合可以忽略不计. 对于华氏气温, 可以用公式换算: F=9C/5+32(C=摄氏气温).
国际标准大气ISA规定: 在对流层中(0~11000m), 海平面的气温为 15℃, 气压 101325Pa, 空气密度1.226kg/m3; 海拔每升高1000m, 气温下降 6.5℃.
利用上面的公式计算不同海拔的气温, 再综合前面的音速经验公式, 就可以推算不同海拔的音速了.
在11000~20000m的高空(属平流层, 气温基本没有变化, 所以又叫"同温层"), 温度下降到零下57℃(15-11x6.5= -56.5℃), 这里的音速是 u= 331.3+[0.606x(-57)]= 296.7m/s (约1068km/h). 喷气式飞机都喜欢在 1万米左右的高空巡航, 因为这里是平流层的底部, 可以避开对流层因对流活动而产生的气流. 在11000~20000m的同温层内, 音速的标准值是1062km/h, 而且基本稳定.
喷气式飞机都用马赫数 Ma来表示速度, 而不用对地速度. 这是因为物体在空气中飞行时, 前端会压缩空气形成波动, 这个波动是以音速传播的(因为声波也是波动的一种). 如果物体的飞行速度超过音速, 那么这些波动无法从前端传播, 而在物体前端堆积, 压力增大, 最终形成激波. 激波是超音速飞行的主要阻力源.
物体飞行速度一旦超过音速, 必然产生激波. 激波会极大地增加飞行阻力, 影响到整个飞行状态以及燃料的消耗. 在不同的空气环境中, 尽管飞行器的 Ma数相同, 但他们的对地速度是不相等的; 不过, 他们受到的阻力却大致相当. 所以, 飞行器都是用当地的音速, 来衡量当前速度的
声速
音速也叫声速,指声波在媒质(介质)中传播的速度。其大小因媒质的性质和状态而异。声速顾名思义即是声音的速度,唯声音系以波的形式传播,与一般所理解物体的速度是不同的,所以与其将音速称为声音的速度,倒不如将音速视为波传递速度的指标,音速与传递介质的材质状况有绝对关系,而与发声者本身的速度无关,而发声者与听者间若有相对运动关系,就形成了都卜勒效应;也由此观点,穿/超音速时的诸多物理现象,其实与声音无关,而是压缩波密集累积所产生的物理现象。
目前所知,声波能够在所有物质(除真空外)中传播。其传播速度由传声介质的某些物理性质,主要是力学性质所决定。例如,音速与介质的密度和弹性性质有关,因此也随介质的温度、压强等状态参量而改变。来源于考试大。气体中音速每秒约数百米,随温度升高而增大,0℃时空气中音速为331.4米/秒,15℃时为340米/秒,温度每升高1℃,音速约增加0.6米/秒。通常,固体介质中音速最大,液体介质中的音速较小,气体介质中的音速最小。另外,不均匀介质中的音速处处不等。各向异性介质中的音速随传播方向而异。
影响声速的原因
在有些情况下音速还与声波本身的振幅、频率、振动方式(纵波声速、横波声速等)有关。如果传播介质的尺寸不够大,则其边界对音速也有影响。因此为了使音速的量值确切地表征传声介质的声学特征,不受其几何形状的影响,一般须规定传声介质的尺寸足够大(理论上为无限大)情况下的声波传播速度。有时为了实用上的方便,也列出某些特殊情况下的音速,如固体细棒中的音速。
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