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[拼音]：shengsu

[英文]：speed of sound

聲波在媒質內的傳輸速度。也叫做聲波的傳播速度，以區別於媒質內有聲波存在時各個質點作振動運動的速度，後者常稱為質點速度。設聲波在媒質內傳過距離Л所需時間為t，則其聲速為

。聲速是描述聲波現象或聲學研究中的重要參量之一。從聲源發出的聲波將以一定的聲速向周圍傳播，意味著聲波的能量也是以一定的速度向周圍傳播。目前所知，聲波能夠在物質世界的所有物質（除真空外）中傳播，其傳播速度由該傳聲媒質的某些物理性質，主要為其力學性質所決定，並且一般都是把該傳聲媒質看成是巨集觀連續的媒質。由於聲波可能以不同的振動方式在同一媒質中存在(尤其在固體中)，故聲波的傳播速度，還與其振動方式有關（例如，縱波聲速、橫波聲速等）。此外，如果傳聲媒質的尺寸不夠大，則其邊界對聲波傳播過程的影響也會表現為對聲速的影響，形成各種導波的聲速。因此，為了使聲速的量值確切地表徵為該傳聲媒質的一個聲學特性，不受其幾何形狀的影響，一般須規定該傳聲媒質的尺寸為足夠大（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，也對某些特殊情況下的聲速，例如固體細棒中的聲速，加以列出。為了得出聲速的量值，在聲學發展的歷史中，很早就發展了測量聲速的方法。近年來對各種狀況下聲速測量方法的研究，以及測量精度的提高，已成為聲學研究中的重要專案之一。

氣體中的聲速

設有一平面聲波，在均勻、無損耗的理想氣體媒質中傳播，則聲速с與氣體特性參量的關係為

其中γ為氣體的定壓比熱容сp與定容比熱容сv之比，稱為比熱容比，p0為無聲波存在時的氣體靜壓，ρ為氣體密度，R為摩爾氣體常數〔R＝8.31441±0.00026J/(mol·K)〕，T為熱力學溫度，M為氣體的摩爾質量。

對於空氣，聲速с(m/s)隨溫度t(°C)的變化，有下列近似公式

液體中的聲速

平面聲波在均勻、無損耗液體媒質中的傳播速度為

其中ρ為液體的密度，β

和β

分別為其絕熱壓縮係數和恆溫壓縮係數，γ為比熱容比，

對大多數液體，聲速的溫度係數都是負值，溫度越高，聲速越小。對蒸餾水來說，低於74°C時，聲速的溫度係數是正值，高於74°C時則變為負值，在74°C左右時具有聲速的極大值。蒸餾水的聲速(m/s)，可由下列實驗公式得出

對於海水，聲速(m/s)的值則要受溫度、靜壓力、含鹽量等的影響，實用中，一般可以用下列實驗公式來得出

其中t為攝氏溫度，p0為靜壓（單位Pa）， s為含鹽量(以千分之一為單位)。

對很多化合物液體來說，聲速與其分子量、分子體積、分子結構等具有複雜的關係。對溶液、混合液來說，聲速的變化往往並不與其組分的濃度成線性關係，圖1為乙醇水溶液的濃度與聲速的變化關係。對電解質的水溶液來說，聲速的變化與濃度一般又都表現為線性關係，如圖2所示。不少這類情況，都可以用液體分子的化學結構特性來加以適當解釋。

固體中的聲速

固體能經受切向應力，故在固體中傳播的聲波，除了有像在流體中所能存在的縱波以外，還有橫波。此外，還可形成各種特有振動方式的聲波，例如瑞利波、板波、彎曲波、扭轉波以及樂甫波、斯頓萊波等等，不同型別的聲波在同一固體媒質中具有不同的傳播速度。

固體中聲波的聲速，主要地決定於媒質的密度和各有關的彈性常數。它們的關係，對有的波型，可以表示為比較簡單的表示式，而對有些波型，則相當複雜甚至無法用解析式來表達。

當平面聲波在均勻、無損耗、各向同性的無限大固體媒質中傳播時，一部分較簡單的波型的聲速與媒質物理常數的關係如表1所列。

當聲波在各向異性材料中傳播時，聲速與傳播方向有關，變得更加複雜。例如，對立方晶系材料，一些波型的聲速公式如表2所列。表中，с11、с12、с44等為用張量表示的各元彈性常數，с1和сι分別為縱波聲速和橫波聲速。

此外，對等離子體中的聲速及其測量方法等，尚在初步研究階段。

聲速與振幅的關係

以上所述，都是假定在小振幅情況下聲波的聲速的量值及其有關規律。聲波的振幅很大時，其傳播速度還將與聲波本身的振幅有關，例如，在強烈爆炸聲源附近，聲速要比正常值大很多（大幾倍），並且規律也極其複雜。

聲速與頻率的關係

聲速的量值，有時還與聲波的頻率有關，頻率改變時聲速值也改變（稱為頻散）。這可能是由於傳聲媒質的特性所造成，或由於聲波的不同振動方式所造成。從而使聲速呈現頻散特性，而具有相速和群速的區分。當頻率達到109～1010Hz以上的所謂特超聲時，則由於聲波將逐漸顯示出具有聲子的特性，聲速的概念、量值和規律性都將更為複雜。

聲速的測量

為了測定聲波在大氣中的傳播速度，最古老的方法是採用火槍爆炸發出的脈衝聲波。現代測量聲速度的方法，則已經發展到多種多樣，以便適應對氣體、液體、固體等不同媒質，以及在不同環境條件下進行測量的要求。按照它們的測量原理，可以歸納成如下三種類型。

（1）測定出聲波所傳過的距離Л和經歷該距離所需的時間t，則聲速с＝lЛ/t。這類方法包括脈衝穿透法、一般脈衝反射法、環鳴法、脈衝回波疊加法、脈衝回波重合法等。

（2）測定出聲波在該試樣中傳播時的波長λ和該聲波的頻率f，則聲速с＝λf。在這類方法中包括共振法、干涉儀法、光學衍射法，以及脈衝超聲干涉儀法等。

（3）使聲波入射在兩種傳聲媒質的分介面上，測出聲波的入射角θ1和折射角θ2，如一種媒質中的聲速為已知，就可按如下公式得出另一種媒質中的聲速值：

當把這種方法應用到固體分介面處時，則由於有波型轉換而有可能利用入射縱波來測量折射橫波的聲速。

此外，有時為了測定聲速值的相對變化，還有所謂比較法，即測定待測試樣與標準試樣的聲速差，或待測試樣的聲速隨其環境狀態的變化而產生的改變等。

影響聲速測量準確度的原因，除了技術上測量儀器裝置的誤差因素以外，就原理上來說，在測量中所發射的聲波不完全符合在無限大媒質中的平面聲波的條件，以及在試樣端面的反射延時，不容易嚴格確定，從而使測量結果帶有系統誤差，這是主要因素。這種相對誤差的量值，一般可達到 10-4的數量級。為了提高測量準確度，現已發展出把這類誤差加以修正的理論和方法。另外，溫度的變化也會引入誤差。

聲速研究的應用

可以分為下列三個方面。

（1）聲速在聲學研究自身方面，是一個重要的基本參量。例如，在聲波傳播特性（折射、反射、散射、干涉、衍射等）的研究方面，聲速是起主要作用的一個參量。某些測量聲強或聲功率的方案中，必須已知媒質中的聲速值。此外，對聲波的發射和接收裝置的設計和研究，也必須知道所採用材料的聲速值。

（2）聲速在物質的基本物理、化學特性研究方面，起著重要的測量手段的作用。儘管在聲速的理論和實踐中，是假定傳聲媒質為均勻、連續的物質，並不考慮其分子、原子的特徵，但各分子或原子間的結合力，還是呈現媒質的巨集觀彈性的主要原因。故通過聲速的測量，有可能研究一部分分子、原子特性的問題。由於通過聲速測量得到的結果，是動態的、絕熱的，這也是其他方法所不容易得到的。

通過對氣體、液體的聲速測量，可用來研究分子的組成結構和運動狀態以及弛豫理論等；通過對固體的聲速測量，可用來研究一系列固體物理效應，例如固體的彈性狀態方程、位錯理論，電子理論，磁彈理論，以及各種自旋效應等。

（3）聲速在工程技術方面的應用，更是多種多樣，而且還在不斷髮展。例如，測厚度、液位、流量、溫度、硬度、材料的性質成分或其強度，應力分析，以及水聲定位，材料分析，各種延遲線的製作等。聲速作為工程技術中一系列非聲學量的測量手段，還有其特點，可以不與被測物體直接接觸，可以在被測物體正常執行的情況下進行測量，以及在某些特殊環境條件下進行測量，如對人體血管內血流速度的測量，對人體各種肌肉組織、臟器的測量等，這對醫學超聲的發展和改進起著重要作用，對保障人類健康具有重要意義。

參考書目

R.Truell， et al.， Ultrasonic Methods in Solid State Physics，Acadamic Press，New York，1969.