空気・水・その他の媒質における音速

概要

音速は、圧力擾乱が媒体を通じて伝播する速度です。材料の弾性特性と密度に依存します。気体では温度とともに上昇します。液体と固体では、関係は体積弾性率によって支配されます。音速の理解は、音響学、超音波、空気力学、水中通信システムにとって重要です。

主要な公式

理想気体中の音速

$c = \sqrt{\gamma \, R \, T}$

ここで $\gamma$ は比熱比、$R$ は個別気体定数、$T$ はケルビン単位の絶対温度です。

液体および固体中の音速

$c = \sqrt{\frac{K}{\rho}}$

ここで $K$ は体積弾性率（固体では弾性率）、$\rho$ は質量密度です。

一般的な関係

$c = f \, \lambda$

周波数×波長は伝播速度に等しくなります。

変数

一般的な媒体中の音速

空気中の音速に対する温度の影響

水中の音速 vs 温度

計算機 — 乾燥空気中の速度

単位換算器

亜音速と超音速

マッハ数が1未満の場合、流れ速度は局所音速より低く、速度は亜音速です。マッハ数が1の場合、速度は遷音速です。マッハ数が1を超える場合、流れ速度は音速より高く、速度は超音速です。

復元された元のソース表

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一般的な物質の体積弾性率と密度

元のソース画像

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工学的注意事項

• 空気中での温度の優位性。 おおよその経験則：音速は温度が1 °C上昇するごとに約0.6 m/s増加します。湿度は小さな二次効果（約0.1–0.5%の変動）を持ちます。
• 圧力は理想気体の音速に直接的な影響をほとんど与えません。 密度と体積弾性率の両方が圧力に比例してスケーリングされ、相殺されるためです。支配的な変数は温度です。
• 水中では、塩分、温度、圧力（水深）がすべて音速に測定可能な影響を与えます。UNESCOのChen-Millero方程式などの水中音響モデルは、3つの変数すべてを考慮します。
• 固体では、波のタイプが重要です。上記の縦波（P波）速度はせん断波（S波）速度より高くなります。表面波（レイリー波）と板波（ラム波）はさらに異なる速度で伝播します。
• ソニックブームとマッハ数。 局所音速は圧縮性流れの臨界速度を定義します。マッハ1.0で移動する物体は衝撃波を生成し、その幾何形状は周囲の音速に直接依存します。
• 医療用超音波。 軟組織イメージングは平均速度1540 m/sを仮定します。仮定された速度の誤差は、超音波画像のぼやけと位置ずれを引き起こします。
• マッハ円錐角は $\sin(\mu) = 1/\text{Ma}$ で与えられます。ここでMaはマッハ数です。高高度では、低い温度が音速を下げ、同じ対気速度で円錐を広げます。

参考文献

• Engineering Toolbox — 音速
• Kinsler, L. E. 他、音響学の基礎、第4版、Wiley。
• UNESCO、海水の基本特性のアルゴリズム、海洋科学技術論文。