声速

其中γ为气体的定压比热容с_p与定容比热容с_v之比，称为比热容比，p₀为无声波存在时的气体静压，ρ为气体密度，R为摩尔气体常数〔R＝8.31441±0.00026J/(mol·K)〕，T为热力学温度，M为气体的摩尔质量。

对于空气，声速с(m/s)随温度t(°C)的变化，有下列近似公式

平面声波在均匀、无损耗液体媒质中的传播速度为

其中ρ为液体的密度，β和β分别为其绝热压缩系数和恒温压缩系数，γ为比热容比，对大多数液体，声速的温度系数都是负值，温度越高，声速越小。对蒸馏水来说，低于74°C时，声速的温度系数是正值，高于74°C时则变为负值，在74°C左右时具有声速的极大值。蒸馏水的声速(m/s)，可由下列实验公式得出

对于海水，声速(m/s)的值则要受温度、静压力、含盐量等的影响，实用中，一般可以用下列实验公式来得出

其中t为摄氏温度，p₀为静压（单位Pa）， s为含盐量(以千分之一为单位)。

对很多化合物液体来说，声速与其分子量、分子体积、分子结构等具有复杂的关系。对溶液、混合液来说，声速的变化往往并不与其组分的浓度成线性关系，图1为乙醇水溶液的浓度与声速的变化关系。对电解质的水溶液来说，声速的变化与浓度一般又都表现为线性关系，如图2所示。不少这类情况，都可以用液体分子的化学结构特性来加以适当解释。

当把这种方法应用到固体分界面处时，则由于有波型转换而有可能利用入射纵波来测量折射横波的声速。

此外，有时为了测定声速值的相对变化，还有所谓比较法，即测定待测试样与标准试样的声速差，或待测试样的声速随其环境状态的变化而产生的改变等。

影响声速测量准确度的原因，除了技术上测量仪器设备的误差因素以外，就原理上来说，在测量中所发射的声波不完全符合在无限大媒质中的平面声波的条件，以及在试样端面的反射延时，不容易严格确定，从而使测量结果带有系统误差，这是主要因素。这种相对误差的量值，一般可达到 10^-4的数量级。为了提高测量准确度，现已发展出把这类误差加以修正的理论和方法。另外，温度的变化也会引入误差。

可以分为下列三个方面。

（1）声速在声学研究自身方面，是一个重要的基本参量。例如，在声波传播特性（折射、反射、散射、干涉、衍射等）的研究方面，声速是起主要作用的一个参量。某些测量声强或声功率的方案中，必须已知媒质中的声速值。此外，对声波的发射和接收装置的设计和研究，也必须知道所采用材料的声速值。

（2）声速在物质的基本物理、化学特性研究方面，起着重要的测量手段的作用。尽管在声速的理论和实践中，是假定传声媒质为均匀、连续的物质，并不考虑其分子、原子的特征，但各分子或原子间的结合力，还是呈现媒质的宏观弹性的主要原因。故通过声速的测量，有可能研究一部分分子、原子特性的问题。由于通过声速测量得到的结果，是动态的、绝热的，这也是其他方法所不容易得到的。

通过对气体、液体的声速测量，可用来研究分子的组成结构和运动状态以及弛豫理论等；通过对固体的声速测量，可用来研究一系列固体物理效应，例如固体的弹性状态方程、位错理论，电子理论，磁弹理论，以及各种自旋效应等。

（3）声速在工程技术方面的应用，更是多种多样，而且还在不断发展。例如，测厚度、液位、流量、温度、硬度、材料的性质成分或其强度，应力分析，以及水声定位，材料分析，各种延迟线的制作等。声速作为工程技术中一系列非声学量的测量手段，还有其特点，可以不与被测物体直接接触，可以在被测物体正常运行的情况下进行测量，以及在某些特殊环境条件下进行测量，如对人体血管内血流速度的测量，对人体各种肌肉组织、脏器的测量等，这对医学超声的发展和改进起着重要作用，对保障人类健康具有重要意义。

参考书目

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