環(huán)保工程師2010年物理污染控制輔導資料十五

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一、聲音的產(chǎn)生
    在平流層下部,氣溫不隨高度而變,音速也不變,為295.2米/秒??諝饬鲃拥囊?guī)律和飛機的空氣動力特性,在飛行速度小于音速和大于音速的情況下,具有質的差別,因此,研究航空器在大氣中的運動,音速是一個非常重要的基準值。
    音速不是一個固定的值。在干燥空氣中,音速的經(jīng)驗公式是:
    音速u=331.3+(0.606c)m/s(c=攝氏氣溫)
    常溫下(15℃),音速為u=331.3+(0.606x15)=340.4m/s,這就是為什么都說音速是340m/s(1225km/h)的緣故。潮濕空氣的音速略有增加,但是幅度不到0.5%,大多數(shù)場合可以忽略不計。對于華氏氣溫,可以用公式換算:F=9C/5+32(C=攝氏氣溫)。
    國際標準大氣ISA規(guī)定:在對流層中(0~11000m),海平面的氣溫為15℃,氣壓101325Pa,空氣密度1.226kg/m3;海拔每升高1000m,氣溫下降6.5℃。
    利用上面的公式計算不同海拔的氣溫,再綜合前面的音速經(jīng)驗公式,就可以推算不同海拔的音速了。
    在11000~20000m的高空(屬平流層,氣溫基本沒有變化,所以又叫“同溫層”),溫度下降到零下57℃(15-11x6.5=-56.5℃),這里的音速是u=331.3+[0.606x(-57)]=296.7m/s(約1068km/h)。噴氣式飛機都喜歡在1萬米左右的高空巡航,因為這里是平流層的底部,可以避開對流層因對流活動而產(chǎn)生的氣流。在11000~20000m的同溫層內(nèi),音速的標準值是1062km/h,而且基本穩(wěn)定。
    噴氣式飛機都用馬赫數(shù)Ma來表示速度,而不用對地速度。這是因為物體在空氣中飛行時,前端會壓縮空氣形成波動,這個波動是以音速傳播的(因為聲波也是波動的一種)。如果物體的飛行速度超過音速,那么這些波動無法從前端傳播,而在物體前端堆積,壓力增大,最終形成激波。激波是超音速飛行的主要阻力源。
    物體飛行速度一旦超過音速,必然產(chǎn)生激波。激波會極大地增加飛行阻力,影響到整個飛行狀態(tài)以及燃料的消耗。在不同的空氣環(huán)境中,盡管飛行器的Ma數(shù)相同,但他們的對地速度是不相等的;不過,他們受到的阻力卻大致相當。所以,飛行器都是用當?shù)氐囊羲?,來衡量當前速度?BR>    二、音速
    音速也叫聲速,指聲波在媒質(介質)中傳播的速度。其大小因媒質的性質和狀態(tài)而異。聲速顧名思義即是聲音的速度,唯聲音系以波的形式傳播,與一般所理解物體的速度是不同的,所以與其將音速稱為聲音的速度,倒不如將音速視為波傳遞速度的指標,音速與傳遞介質的材質狀況有絕對關系,而與發(fā)聲者本身的速度無關,而發(fā)聲者與聽者間若有相對運動關系,就形成了都卜勒效應;也由此觀點,穿/超音速時的諸多物理現(xiàn)象,其實與聲音無關,而是壓縮波密集累積所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。
    三、影響音速的因素
    目前所知,聲波能夠在所有物質(除真空外)中傳播。其傳播速度由傳聲介質的某些物理性質,主要是力學性質所決定。例如,音速與介質的密度和彈性性質有關,因此也隨介質的溫度、壓強等狀態(tài)參量而改變。氣體中音速每秒約數(shù)百米,隨溫度升高而增大,0℃時空氣中音速為331.4米/秒,15℃時為340米/秒,溫度每升高1℃,音速約增加0.6米/秒。通常,固體介質中音速,液體介質中的音速較小,氣體介質中的音速最小。另外,不均勻介質中的音速處處不等。各向異性介質中的音速隨傳播方向而異。
    在有些情況下音速還與聲波本身的振幅、頻率、振動方式(縱波聲速、橫波聲速等)有關。如果傳播介質的尺寸不夠大,則其邊界對音速也有影響。因此為了使音速的量值確切地表征傳聲介質的聲學特征,不受其幾何形狀的影響,一般須規(guī)定傳聲介質的尺寸足夠大(理論上為無限大)情況下的聲波傳播速度。有時為了實用上的方便,也列出某些特殊情況下的音速,如固體細棒中的音速。