声波传播方式及其速度与介质的关系

物体振动（声源）时激励着它周围的空气质点振动，使得离声源最近的质点离开原来的平衡位置开始运动，从而推动相邻质点运动，也就是说压缩了相邻的介质，而相邻的介质又会产生一种反抗压缩的力，使质点回到原来的平衡位置，由于惯性的作用，质点会经过原来的平衡位置，压缩另一侧的相邻介质，而这侧的介质也会产生一种反抗压缩的力，推动质点又回到原来的平衡位置。由于介质的弹性和惯性作用，使得这个质点在其平衡位置来回地振动。同样的原因，最初振动的质点将推动离它最近的质点以及更远的质点在各自的平衡位置振动起来，但各个质点的振动存在一定的时间延迟。这种介质质点的机械运动由近及远地传播就称为声波，声波是一种机械波。

当声音在空气中传播时，由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播，从而形成声波。声波传播方式不是物质的移动，而是能量的传播。也就是说质点并不随声波向前扩散，而仅在其原来的平衡位置附近振动，靠质点之间的相互作用影响到邻近的质点振动，因此，振动得以向四周传播，形成波动。

质点振动方向平行于传播方向的波称为纵波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波。声波在空气中传播时只能发生压缩与膨胀，空气质点的振动方向与声波的传播方向是一致的，所以空气中的声波是纵波，如图1-1所示。声波在液体中传播一般也为纵波，但在固体中传播则既有纵波又有横波。声波在气体和液体中只能按纵波传播，是因为气体和液体不能承受剪切力。而固体能够承受剪切力，所以，声波在固体中传播既有纵波又有横波。

图1-1 声波在空气中传播示意图

空气中无任何质点波动时，存在大气压，也就是静压强p_大气，而当物体振动时，必然导致振动物体附近的空气压强发生变化，产生压强波动p_波动，也就是说声波导致的压强波动是叠加在大气压之上的，如图1-2所示，即

p_总=p_大气+p波动而p_大气=1.01325×10⁵Pa，p_波动=20μPa～20Pa。

通常来说，声波可以在弹性介质中传播，如空气、液体和固体等，但不能在真空中传播。弹性介质中粒子的运动产生任何振动行为（如振动的平板、扬声器等）都可以当成一个声源。振动的粒子的前后运动使介质产生交替的按正弦变化的稠密（C）部分和稀疏（R）部分，如图1-3所示。产生的压力波在介质中以速度c进行传播。

图1-2 波动的声压叠加在大气压之上

图1-3 声波波动使介质出现稠密与稀疏变化

声波的传播速度c（m/s）依赖于弹性介质的物理特性，通常(www.xing528.com)

c_固体>c_液体>c_气体

对于空气和大多数气体而言，声波的传播速度受气体的密度、压强、温度、比热和黏滞系数等因素的影响。实际的传播速度由热力学公式决定，即

式中 R——介质常数，对于空气而言，取287.05J/（kg·K）；

γ——比热比，对于空气，取1.402；

T——热力学温度，T=273.15+t，t是摄氏温度。

假设空气是理想气体，则声速只与空气的热力学温度有关，故声速

例如，t=20°C时，声速约等于343m/s。对于常见弹性介质而言，其声速见表1-1。

表1-1 常见介质中的声速