Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach

Żeby zacząć rozmawiać o dźwięku należy się zastanowić najpierw czym jest dźwięk?

Dźwięk to fala akustyczna, która jest lokalnym rozchodzącym się zaburzeniem gęstości ośrodka w postaci fali podłużnej. Fale akustyczne mogą się poruszać w ośrodkach sprężystych: ciałach stałych , cieczach i gazach. Z tego wynika, że dźwięk nie może się rozchodzić w próżni absolutnej ze względu na brak ośrodka, który mógłby ulec zaburzeniu. To zjawisko też nie może zajść w temperaturze zera bezwzględnego, ponieważ ruch cząsteczek nie występuje.

Prędkość dźwięku jest to szybkość rozchodzenia się fali akustycznej w układzie.  Dla małych natężeń dźwięku i małych amplitud drgań prędkość związana z ruchem drgającym jest znacznie mniejsza od prędkości ruchu cieplnego cząsteczek, dlatego prędkość dźwięku nie zależy od jego natężenia ani od częstości drgań. To założenie nie jest spełnione dla bardzo dużych natężeń powstających przy wybuchach.

Dla gazów prędkość dźwięku jest zależna od masy molowej, temperatury oraz wykładnika adiabaty, który jest stosunkiem  ciepło właściwego w przemianie izobarycznej do ciepła właściwego w przemianie izochorycznej. Zgodnie z modelem gazu idealnego prędkość dźwięku nie jest zależna od ciśnienia. Dźwięk rozchodzi się szybciej w gazach o małej masie molowej. Prędkość dźwięku rośnie wraz ze wzrostem temperatury gazu.

W cieczach i ciałach stałych fala akustyczna może się rozchodzić z prędkościami większymi niż w gazach. Są to ośrodki charakteryzujące się większą sprężystością. Należy zwrócić uwagę, że sprężystość ośrodka, w ciałach stałych definiowana modułem Younga, a w cieczach współczynnikiem ściśliwości, jest właściwością związaną z konkretnym rodzajem odkształcenia ośrodka. O ile w gazach może rozchodzić się tylko fala podłużna, a jedynym odkształceniem sprężystym może być zmiana jego objętości, o tyle w cieczach może już powstawać fala powierzchniowa (będąca złożeniem fali podłużnej i poprzecznej na powierzchni cieczy), a w ciałach stałych, dodatkowo fale materiałowe. Każda z tych fal, w danym ośrodku, rozchodzi się z inną prędkością.

Wiele materiałów takich jak stal i diament ma prędkość rozchodzenia zaburzenia w postaci fali akustycznej niezależną od kierunku. Są to ciała izotropowe.

Jest też wiele ciał takich jak np. drewno anizotropowe- właściwości są zależne od kierunku pomiaru) charakteryzują się różnym współczynnikiem sprężystości w różnych kierunkach, a co za tym idzie różnymi prędkościami rozchodzenia się fali na tych kierunkach. Dla przykładu można podać lipę, której prędkość rozchodzenia się dźwięku wzdłuż włókien wynosi około 3 700 m/s, a w poprzek włókien tylko 670 m/s. Tą specyficzną własność drewna wykorzystano w instrumentach np. gitarze akustycznej gdzie żeby uzyskać odpowiedni dźwięk używa się specjalnych gatunków drewna o odpowiednich własnościach pozbawionych sęków. Prędkość dźwięku jest też zależna od wilgotności drewna, i maleje o 30-35 m/s wraz ze wzrostem wilgotności o 1 %.

Niektóre substancje takie jak guma, polimery oraz materiały porowate mają prędkości rozchodzenia się fali niższe niż powietrze. Jest to spowodowane niskim współczynnikiem sprężystości. Dźwięk rozchodzi się w gumie z prędkościami od 17- 30 m/s, a w polistyrenie spienionym, nazywanym styropianem około 230 m/s. Substancje w których fala dźwiękowa rozchodzi się wolno bardzo dobrze tłumią dźwięki. Znalazło to zastosowanie w sprzęcie ochrony słuchu, izolacjach akustycznych oraz w ekranach akustycznych.