查看“︁音速”︁的源代码

{{NoteTA
|G1=物理學
|G2=Unit
|1=zh-hans:声速; zh-hant:音速;
|2=zh-hans:米; zh-hant:公尺;
}}
'''音速'''（{{lang-en|Speed of sound}}），指[[聲波]]在介質中傳遞的[[速率]]，定義為聲波在單位時間內所行進的路徑長。

==歷史==
1687年，牛頓的《[[自然哲學的數學原理]]》中計算出空氣中的音速為每秒979英尺(298m/s)，但這比實際速度低了約15%，主要是因為牛頓在當時認為聲音的傳播過程是[[等溫過程]]，而不是現在所熟知的[[絕熱過程]]，這一錯誤直至18世紀才被[[拉普拉斯]]以[[熱質說]]為基礎進行修正。<ref>{{cite web
| url = http://mathpages.com/home/kmath109/kmath109.htm
| title = The Speed of Sound
| publisher = mathpages.com
| access-date = 3 May 2015
| archive-date = 2020-07-25
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}}</ref>
<ref>{{cite web
| url = http://www.thermaxxjackets.com/newton-laplace-equation-sound-velocity/
| title = The Newton–Laplace Equation and Speed of Sound
| last1 = Bannon
| first1 = Mike
| last2 = Kaputa
| first2 = Frank
| date = 12 December 2014
| publisher = Thermal Jackets
| access-date = 3 May 2015
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| dead-url = no
}}</ref>

在17世紀，人們曾多次進行音速的測量實驗，包括1630年[[馬蘭·梅森]](每秒1380{{tsl|en|Paris foot|巴黎尺}}，約448.28m/s)、1635年[[皮埃爾·伽桑狄]](每秒1473巴黎尺，約478.49m/s)和[[羅伯特·波義耳]](每秒1125巴黎尺，約365.45m/s)。1巴黎尺等於325毫米，比現代所使用[[英尺|國際英尺]](304.8毫米)更長。

1709年，英國牧師{{tsl|en|William Derham|威廉·德漢}}則發表了更精確的聲速測量方式，他所量得數據為每秒1072巴黎英尺(約348.23m/s)。<ref name=meridian>{{cite book
| title = Full Meridian of Glory: Perilous Adventures in the Competition to Measure the Earth
| last = Murdin
| first = Paul
| date = 25 December 2008
| publisher = Springer Science & Business Media
| isbn = 9780387755342
| pages = 35–36
}}</ref>德漢從英國{{tsl|en|Church of St Laurence, Upminster|阿普敏斯特聖勞倫斯教堂}}上使用望遠鏡觀察遠處霰彈槍開火所產生的火光，接著利用[[秒擺]]測量從開火至聽到槍聲的時間。他同時也測量了許多當地地標的聲速數據，包括英國{{tsl|en|North Ockendon|北奧肯登}}的一些教堂，再透過[[三角測量]]即可求得距離，進而推算出聲音的速度。<ref name="Tony Fox">{{cite book
| title = Essex Journal
| last = Fox
| first = Tony
| pages = 12–16
| year = 2003
| publisher = Essex Arch & Hist Soc
}}</ref>

== 基本概念 ==
音速與傳遞介質的材質狀況（如[[密度]]、[[溫度]]、[[壓力]]...）有絕對關係，而與發聲者（波源）本身的速度無關，若發聲者與觀察者間有相對運動關係，就會產生[[都卜勒效應]]；因此，[[超音速]]時的諸多物理現象（如[[震波]]、[[音爆]]、[[音障]]...）與聲音無關，而是壓縮波密集累積所產生的物理現象。

聲音的傳播速度在[[固體]]最快，其次[[液體]]，而[[氣體]]中的音速最慢。通常「音速」是指在聲波以[[空氣]]作為介質時的行進速度，通常約為343.2公尺/秒（1,236公里/小时）。音速會受空氣狀態之影響（如[[濕度]]、溫度、密度...）而有不同數值。如攝氏0度之[[海平面]]音速约为331.5公尺/秒，而10000公尺高空之音速約為295公尺/秒；此外，當環境溫度每升高1°C時，音速就會增加0.607公尺/秒。

据推测，任何介质中的音速都只能小于真空中的[[光速]]的<math>1/\sqrt{3}</math><ref>{{Cite web|title=音速上限与中子星|url=https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.031103|accessdate=2021-11-25|archive-date=2022-10-19|archive-url=https://web.archive.org/web/20221019224050/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.031103|dead-url=no}}</ref>。
而凝聚态介质中的音速上限则可能取決於[[精細結構常數]]和{{tsl|en|Proton-to-electron mass ratio|質子電子質量比}}，約等於每秒36公里<ref>{{Cite web|title=Scientists find upper limit for the speed of sound|url=https://www.qmul.ac.uk/media/news/2020/se/scientists-find-upper-limit-for-the-speed-of-sound.html|accessdate=2020-10-09|archive-date=2022-12-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20221205110950/https://www.qmul.ac.uk/media/news/2020/se/scientists-find-upper-limit-for-the-speed-of-sound.html|dead-url=no}}</ref>。

在固體中有兩種可能的聲波，其中一種是與[[流體]]相同的[[縱波]]，另一種是流體沒有的[[橫波]]，兩種不同的聲波可以有不同的傳播速度（例如地震波）。縱波形式的音速取決於介質的[[壓縮率]]和密度，而固體中橫波形式的音速取決於介質的[[剛度]]和密度。

== 音速的一般公式 ==
一般來說，音速''c'' 的大小有其公式<ref>{{Cite web |url=http://www.mathpages.com/home/kmath109/kmath109.htm |title=The Speed of Sound |accessdate=2014-07-07 |archive-date=2013-01-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130116145144/http://www.mathpages.com/home/kmath109/kmath109.htm |dead-url=no }}</ref>，
:<math>c = \sqrt{\frac{B}{\rho}}</math>
其中<math>B</math>是[[不可壓縮率]]，<math>\rho</math>是密度。

因此音速隨著介質的不可壓縮率增加而變快，隨著介質的密度增加而變慢。1816年，Pierre-Simon Laplace修正了牛顿的声速公式，指出了声传播是一个热力学绝热过程（体系与外界没有热量传递）而不是牛顿所认为的等温过程（体系温度保持恒定）。對於一般的狀態方程式，在[[經典力學]]適用範圍內，音速''c'' 可表示成
:<math>c=\sqrt{\frac{\partial p}{\partial\rho}}</math>
此處偏微分針對[[絕熱]]變化。

对于远离液态工作点的理想气体，
:<math>c = \sqrt{\gamma RT}</math>
式中:
:''<math>\gamma </math>''为定压比热与定容比热之比，[[雙原子分子|双原子气体]]（包括空气）''<math>\gamma </math>''=1.4
:''R''为气体常数,空气为287J/(kg·K)
:''T''为[[绝对温度]](K)

如果[[狭义相对论|相對論]]的效應明顯的話，音速可由{{tsl|en|Relativistic Euler equations|相對論的歐拉方程式}}計算。

声速在干燥空气中传播时受到环境温度的影响，音速與氣溫的經驗公式可表示為：<ref>{{Cite web|title=Wavelength to Frequency, and the Speed of Sound|url=https://www.bksv.com/en/knowledge/blog/sound/wavelength-to-frequency#:~:text=As%20a%20rule%20of%20thumb,air's%20temperature%20in%20%C2%B0C.|access-date=2022-08-13|archive-date=2022-07-27|archive-url=https://web.archive.org/web/20220727212127/https://www.bksv.com/en/knowledge/blog/sound/wavelength-to-frequency#:~:text=As%20a%20rule%20of%20thumb,air's%20temperature%20in%20%C2%B0C.|dead-url=no}}</ref>
:<math>c = 331.6 + 0.6T</math>
其中<math>T</math>为攝氏溫度，331.6 m/s是声波在空气中温度為0摄氏度时的传播速度。

==參考資料==
{{reflist}}

== 相關項目 ==
*[[光速]]
*[[馬赫]]
*[[空氣動力學]]

[[Category:流体动力学]]
[[Category:空气动力学]]
[[Category:声学]]
[[Category:声音]]
[[Category:声的衡量]]
[[Category:物理量]]
[[Category:化学性质]]
[[Category:速度]]
[[Category:时间速率]]