音速(声波在媒质中传播的速度) - 简单百科|募实好加盟网

音速

音速（speed of sound）亦称声速，指声波在媒质（介质）中传播的速度。音速的大小，同媒质的性质和状态（如温度）有关。音速在空气动力学中解释为微弱扰动波在介质中传播的速度，是气体动力学中一个最基本的参数，它与气体的状态、压缩性等有密切的关系，压缩性越小、温度越高的介质，其中的音速越大。一般用音速来衡量气体流动的快慢。音速在刚性固体中最高，在气体中最低，真空中不存在声音，也无音速可言。

公元前6世纪，古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯最先发现声音相关规律。1490年，列奥纳多·达·芬奇确认声音可在水中传播。17世纪初期，弗朗西斯·培根首次明确提及音速的并记载。1640年，法国数学家马林·梅森（MarinMersenne）开展了人类首次“空气中音速测定实验”，成功量化了音速的数值。1660年，英国科学家罗伯特·波义耳通过实验证明声音传播必须依赖介质。1687年，艾萨克·牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中，首次提出了声音传播的数学理论，推导出空气中的音速公式。1738年，卡西尼及法国科学院的其他学者实验计算出音速值为337米/秒，得出 “温度会影响音速” 的结论。1743年，阿贝·J·A·诺莱用实验证明声音可在水中传播。1822年，法国经度局任命的一个委员会，根据前人的结论，实验修正后得出0℃时干燥空气的音速约为331.2米/秒。1887年，恩斯特·马赫发现 “马赫角”。1929年，J. 阿克莱特建议将 “马赫角”比值用术语马赫数表示，马赫数正式成为表征流体运动状态的重要参数。1946年，中国科学家钱学森首次提出高超音速概念。

在大气对流层中，气温随高度增加而降低，故音速随高度增加而减小。音速是重要的基准值，如空气流动规律和飞机空气动力学特性在流速（或飞行速度）大于或小于音速时大不相同。由于波速的定义是“波上某一点（如压缩区或稀疏区）单位时间内传播的距离”，因此音速的常用单位为“米/秒”（缩写为m/s）。空气、液体、固体等都是声音的介质，音速的数值在固体中比在液体中大，在液体中又比在气体中大。空气中的音速，在标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒。音速随介质密度增大而减小，随介质刚度增大而增大。音速在医学、气动力学、声学、音乐、航空航天都多个领域都有重要应用意义。

定义

声音来源于物体的振动。当物体振动时，带动周围的空气发生微弱变化，使空气的压力、密度周期性地变化，这种变化依次向外传播，一般称为扰动波。变化到达的位置称为波面。因为此类扰动波中的变量（如压力等）变化很小，所以称之为微弱扰动波。微弱扰动波会以一定的速度向四周传播，其速度就是音速，用符号a表示。

音速，也叫声速，指声波在媒质（介质）中传播的速度。其大小因媒质的性质和状态而异。声速顾名思义即是声音的速度，由于声音是以波的形式传播，故与一般所理解物体的速度是不同的，所以与其将音速称为声音的速度，倒不如将音速视为波传递速度的指标，音速与传递介质的材质状况有关，而与声源本身的速度无关，发声者与听者间若有相对运动关系，就形成了都卜勒效应。也由此观点，穿/超音速时的诸多物理现象，其实与声音无关，而是纵波密集累积所产生的物理现象。

声波通过 “压缩波”（在所有物态中均存在）和 “剪切波”（仅在固体中存在）向物质传递能量：压力扰动使粒子振动，振动的粒子再撞击相邻粒子，从而实现波的传播。其中，“音速” 是波的传播速度，“频率” 则是粒子单位时间内的振动次数。

研究历史

早期认知

早在公元前6世纪，古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯（Pythagoras）率先发现了声音相关规律。他注意到振动弦的长度与其发出的音调存在关联——这一发现便是如今公认的“弦振动第一定律”。他让人们意识到：声音是从声源传播到耳朵的一种振动。其推测来源可追溯至希腊哲学家亚里士多德（公元前384-公元前322年）时期的文字记载，展现了当时人们对声音传播的初步认知 —— 他曾写道：“所有声音的产生，皆是因空气受膨胀、压缩作用而运动，或是因气息冲击、乐器弦振动撞击空气而运动。”

毕达哥拉斯认为，高频声音在空气中的传播速度快于低频声音。除他之外，罗马建筑师马可·维特鲁威（Vitruvius，公元前25年）也曾记载：“声音源于气息，气息流动并撞击空气，从而被听觉感知。它以无数圆形波纹的形式传播，就像将石头投入静止的水中，会产生无数从中心向外扩散、不断扩大的波纹。”

关键突破

亚里士多德也是最早注意到声音可在水中与空气中传播的学者之一。1490年，列奥纳多·达·芬奇对亚里士多德的猜测进行了相关观测，发现能听到远处船只在水下传播的声音。

17世纪初期，首次明确提及音速的记载，出自弗朗西斯·培根（Francis Bacon）。他提出了一种比较音速与光速（他当时已知光速快到难以测量）的方法：通过自身脉搏计时，对比教堂钟声传播1英里（约1.6千米）所需的时间，与同时发出的光信号（被间断点亮的烛火）传播相同距离所需的时间。研究结果被记录在1626年出版的《林木篇》（Sylva Sylvarum）一书中。

列奥纳多·达·芬奇的这一观测之后近200年，人们对声学过程的物理理解取得了快速进展：马林·梅森（Marin Mersenne）与伽利略·伽利莱各自独立发现了弦振动定律，其中梅森于17世纪20年代末在其著作《宇宙和谐论》（L’Harmonie Universelle）中公布了这一成果。1640年，马林·梅森开展了人类首次“空气中音速测定实验”，成功量化音速的数值。梅森以乐器和枪声作为声源，估算出声音每秒传播的距离相当于 230 法国图瓦兹（French Toises），换算后约为448米/秒，这一数值高于已知的真实音速。此外，梅森还错误地认为，无论白天黑夜、顺风逆风，音速都保持不变。17世纪中后期，梅森关于声音本质与传播特性的论述，以及他对空气中声速的早期实验测量，被认为为声学这一学科奠定了基础。

法国科学家皮埃尔·伽桑狄（Gassendi）通过对比大炮（大型武器）与滑膛枪（小型武器）产生的声音传播速度发现：声音传播特定距离所需的时间，与音调高低和声音强度均无关。但与梅森类似，他也错误地得出 “风对音速无影响” 的结论。

推导期

当时，“空气是声音传播的介质” 这一关键认知尚未确立。埃万杰利斯塔·托里拆利（Torricelli）在气压领域的深远研究，成功证明真空的存在，随后一系列利用抽气机开展的实验相继展开。1660年，英国科学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle）通过实验证明：声音传播必须依赖介质。他的实验设计如下：将铃铛置于抽成真空的玻璃罐中，结果发现罐外无法听到铃铛的响声——这一现象直接证实了“真空无法传声”，明确了介质对声音传播的关键作用。

1687年，艾萨克·牛顿爵士在其经典著作《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）中，首次提出了声音传播的数学理论，他提出：在弹性流体中，声波的传播速度与 “弹性系数除以密度” 的平方根成正比。尽管艾萨克·牛顿的研究聚焦于空气中的声音，但这一纯粹数学理论同样适用于水中的声音传播。牛顿随后利用仅在恒温条件下成立的波义耳定律（Boyle’s Law），推导出空气中的音速公式为（其中为压强，为密度），计算得出声速约为968英尺/秒（约合295米/秒），牛顿指出，当时可得的实验数据显示，实际音速介于280至330米/秒之间。

1708年，威廉・德汉姆牧师（Reverend William Derham）安排人员在附近多座教堂塔楼及其他高地发射 “萨克炮”（sakers），发射点距离他所在的厄普明斯特教堂塔楼最远达12.5英里。他通过望远镜观测火炮闪光（白天观测时使用），并借助一台精确的便携式钟摆装置（钟摆每半秒摆动一次）记录从看到闪光到听到炮声的时间间隔。通过这种方式，他证实音速与传播距离（即与声源的距离）无关，并得出音速的精确平均值为348米/秒。在后续一系列实验中，德汉姆以12.5英里为固定传播距离，研究了多种因素对音速的影响。与此前研究者的观点相反，他得出结论：顺风会加快声音传播速度，而逆风则会减慢声音传播速度。

1738年，卡西尼（Cassini）及法国科学院（Académie des Sciences）的其他学者在约28千米的距离上开展音速测量。他们以火炮为声源，用摆钟计时，并选择在夜间进行实验，以确保气象条件稳定。他们首次明确提出：若盛行风速为 “u”，则顺风时声音传播速度为，逆风时有效声速为（其中c为无风时的音速），通过在测量基线的两端双向发射火炮，并采用往返传播时间的平均值来最大限度降低风的干扰，最终得出音速值为337米/秒，得出 “温度会影响音速” 的结论。后期，博洛尼亚的比安孔（Biancon）完成首个针对温度对音速影响的定量研究，通过对比冬夏两季的音速测定结果，正确得出 “温度升高会导致音速增大” 的结论。

1743年，阿贝·J·A·诺莱开展了一系列实验，以解决“声音能否在水中传播”的争议。他将头部浸入水中，报告称听到了枪声、钟声、哨声与呼喊声。他还发现，水下观察者能清晰听到水中闹钟的叮当声，而空气中的人却听不到——这一现象明确证明了声音可在水中传播。

18世纪末至19世纪初，德国物理学家恩斯特・克拉德尼（ErnstChladni）对“发声振动”展开了全面分析，为后续声学研究提供了大量实验数据。1801年，法国数学家傅里叶（Fourier）提出了一项关键理论：像振动弦及其泛音所产生的复杂声波，本质上是由一系列简单周期波叠加而成的——这一发现为声波的数学分析奠定了基础。

18世纪剩余的时间，莱昂哈德·欧拉（Euler）最终提出清晰易懂的推导方法，而约瑟夫·拉格朗日（Lagrange）则修正了牛顿的推理过程，并将其理论推广到适用于任意特性的声波（即不仅限于简谐波）。然而，所有计算得出的音速值仍与实验数据存在显著偏差。直到拉普拉斯（Laplace）在约翰·道尔顿（Dalton）“气体突然压缩会产生热量” 这一观测结果的基础上指出：此前将空气的体积弹性模量等同于静压力的做法，隐含 “等温条件” 的假设；但实际上，由于声传播过程中压力波动极为迅速，声音传播必然处于绝热条件或近似等温条件下，否则会产生巨大的阻尼系数，导致观测到较高的声衰减率。

1822年，法国经度局（Bureau des Longitudes）任命了一个委员会，成员包括普龙尼（Prony）、阿拉果（Arago）、布瓦尔（Bouvard）、马蒂厄（Mathieu）、盖 - 吕萨克（Gay-Lussac）与洪堡（Humboldt），专门开展音速的精准测定工作。他们使用精确的天文钟计时，选择了经精确测量的 18.6223 千米距离，并再次采用 “双向发射火炮” 的方法以最大限度降低风的影响。在 16℃的环境下，他们测得声音传播该距离的平均时间为54.63秒，由此计算出的音速值为当时普遍认可的数值。这一研究推动了音速公式的修正，修正后的公式为：其中，为定压比热容与定容比热容的比值（即比热容比）。引入后，音速的计算值与观测值立即达成了高度一致。随后，斯托克斯（Stokes）指出：温度平衡所需的时间与波长的平方成正比，而实际可供温度平衡的时间仅与波长成正比。因此，声波频率越低，其传播过程越接近理想绝热状态；实验得出在标准大气压下，0℃时干燥空气的音速约为331.2米/秒。

19世纪期间，学界围绕“波动”展开了大量研究，推动了声学理论的系统化：英国物理学家托马斯·杨（ThomasYoung）重点研究了波的“衍射”与“干涉”现象，深化了对波传播特性的理解，这些成果同样适用于声波分析。奥地利科学家克里斯蒂安・约翰・多普勒（ChristianJohannDoppler）建立了“波源与观测者相对运动时，波的实际频率与感知频率之间的数学关系”，即著名的多普勒效应——这一理论不仅解释了声音的“多普勒频移”（如鸣笛的汽车靠近时音调变高、远离时音调变低），还广泛应用于光学、天文学等领域。

随着时间推移，更多测定声速的技术被提出。此时已明确，在露天环境中测定音速的精度（尤其是为保证足够时间分辨率而需在长距离基准线上进行的测量），会受到温度与风速不确定性的限制。19世纪90年代末，哈佛大学物理学家华莱士・克莱门特・萨宾（WallaceClementSabine）为声学认知做出了重要贡献。当时他受委托改善哈佛大学福格艺术博物馆主报告厅的声学效果，在此过程中取得了关键突破，他首次提出并测量了“混响时间”（声音在空间内反射衰减的时间），发现该报告厅的混响时间长达5.5秒（过长的混响会导致声音模糊）。萨宾最初使用附近剧院的座椅坐垫进行吸音实验，后续又尝试了其他吸音材料与方法，最终为“建筑声学”这一学科奠定了基础。他还主持设计了1900年启用的波士顿交响乐大厅（BostonSymphonyHall）——这是世界上首座依据科学声学原理设计的建筑，至今仍是声学效果极佳的音乐厅典范。

勒尼奥（Regnault）在巴黎新建的城市地下水管中开展了一系列实验，使用的声源包括手枪、爆炸物和乐器。成功外推得出自由场条件下干燥空气的音速值。赫布（Hebb）在美国赖尔森物理实验室工作时，直接在自由空气中测量出已知频率信号对应的声音波长。实验中使用两个同轴放置的抛物面反射器（焦距约0.38米，直径1.5米），其中一个可在平行轨道上移动。通过与音叉对比，确定了一个纯音空气哨声源的频率。这种方法可以直接测定波长，而由于频率已知，就能得出音速。赫布报告的干燥空气音速值为，但后来他用于将含湿气空气中测量的速度修正为干燥空气值的方法存在问题，该结果存在轻微误差。他修正后对干燥空气声速的估计值为。

第一次世界大战期间，与敌方火炮声测距相关的仪器得到发展，塔克（Tucker）研制的亥姆霍兹共振器颈部的热线麦克风，使得进一步的露天音速测定得以开展。其中包括埃斯克拉贡（Esclangon）报告的实验，以及安格莱和拉登堡（Angerer and Ladenburg）进行研究。期间，皮尔斯（Pierce）报告了使用压电换能器和干涉测量技术测量音速的研究，是第一个报告空气中音速色散（即音速与频率相关）的人。哈里斯（Harris）对相对声速进行测量，结果表明，在室温下，当相对湿度约为14%时，音速达到最小值；在相对湿度100%时，声音速比干燥空气值高约1.1m/s。如今教科书里通常引用的声速值就是331m/s。干燥空气中声音的传播速度（速度=带有方向的速率）通常表示为：（单位：m/s）。

比勒 - 布蒂卡兹（Bieler-Butticaz）是最早注意到 “空气中的声衰减与温度和湿度密切相关” 的学者之一。阿尔伯特·爱因斯坦（Einstein）研究双原子气体中 “已离解分子与未离解分子混合物” 的音速问题，并提出：通过测定 “音速随频率变化的函数关系”，可计算出两类分子间的能量传递速率。赫茨菲尔德与赖斯将这一概念应用于气体声衰减的计算；不久后，克内泽（Kneser）证明，他们的分析能充分解释此前在二氧化碳中观测到的声色散现象。

在非色散介质中，音速与频率无关，因此能量传递速度与声传播速度一致，空气即属于非色散介质。而在色散介质中，音速是频率的函数——传播扰动的空间和时间分布会持续变化：每个频率分量以各自的相速度传播，而扰动能量则以群速度传播。水就是典型的色散介质。

研究发散

1887年，恩斯特·马赫（Ernst Mach）研究空气中运动的物体发出以音速传播的球面扰动波，发现当物体的速度大于音速时，扰动波会形成以物体为顶点的锥形包络面。扰动波包络锥面的母线与物体运动方向所形成的角与物体速度、音速的关系是。1907年，L. 普朗特首次称该角为 “马赫角”。此后，学术界逐渐发现比值在实际应用中具有极大价值。1929年，J. 阿克莱特建议将该比值用术语马赫表示，马赫数正式成为表征流体运动状态的重要参数。

1938年，钱学森与恩师西奥多·冯·卡门合作，发表重要论文《可压缩流体的边界层》《倾斜旋转体的超音速流》。1939年，钱学森获得加州理工学院博士学位，他在这一年8月发表重要论文《可压缩流体的二维亚音速流》，阐明压力修正公式，后被学界称为“卡门—钱学森公式”。在加州理工学院，钱学森在超音速及跨音速空气动力学、薄壳稳定理论方面对航空工程理论有了许多开创性的成果。他和卡门一起提出的高超音速流动理论为飞行器克服音障和热障提供了依据，为空气动力学的发展奠定了基础。以他和卡门命名的“卡门—钱学森公式”被用于高亚音速飞机的气动设计。

奥地利工程师Sänger提出了一种可重复使用、以火箭为动力的太空飞机“银鸟”概念（飞行速度10马赫），并在1933年将该技术路线完善为基于液体燃料火箭发动机、可水平起降、飞行速度可达13马赫的滑翔机；1944年，Sänger又提出了一个由火箭发动机提供动力的轰炸机项目，相关概念和构思为后续高超声速飞行器的发展提供了指导。20世纪40年代初期，德国曾计划建造一个用于模拟7—10马赫的高超音速风洞，但后因故中止。

1946年，高超音速领域首次有相关论文发表，是钱学森发表在《数学与物理杂志》上的文章《论高超声速流的相似律》，首次给出了高超音速概念。

1949年，美国通过V-2火箭首次实现了高超音速飞机；1957年，美国阿诺德工程开发中心建造了一个高破天冰风洞，并于1960年成功测试了由美国航空航天局（NASA）研制的火箭动力试验飞行器X-15试验机的7马赫数飞行，这也是第一架实现高超音速飞行的飞机。20世纪90年代中期，美国空军科学顾问委员会确定了高超声速的4个关键概念——导弹、机动再入飞行器、快速反应/全球飞行器系统和太空发射/支持系统；涉及的核心研究方向有空气热力学、推进系统和燃料（碳氢化合物和液态氢）、结构和材料等。

20世纪后半叶，现代社会（尤其是城市地区）的噪声水平不断升高，引发了学界对“噪声”的全新研究热潮。这一系列研究主要聚焦于噪声对人类生理与心理的影响，例如噪声导致的听力损伤、睡眠干扰、情绪焦虑等问题，推动了噪声控制技术与相关环保标准的发展。

2018年波音公司推出了高超音速客机的概念及相关技术方案。2020年，印度国防研究与发展组织宣布其自主研发的高超音速技术示范飞行器试验成功。2022年，美国航空航天局（NASA）的“毅力号”首次探测到了火星上两种声音的速度。2023年，法国成功测试V-MaX高超音速导弹，其成为欧洲首个掌握高超音速技术的国家。

计算公式

通过质量守恒定律与动量守恒定律进行分析可得出：音速（用符号a表示）等于比热容比（γ）、气体常数（R）与温度（T）三者乘积的平方根，其数学表达式为：。需注意，音速计算中所采用的温度必须是绝对温标（开尔文温标Kelvin或朗肯温标Rankine）下的温度值。音速对气体种类的依赖性，体现在气体常数（R）与比热容比（γ）这两个参数中：其中气体常数（R）等于普适气体常数（universal gas constant）除以该气体的摩尔质量（molecularweight）。

音速的大小，同媒质的性质和状态（如温度）有关。在空气动力学学中，常指微弱扰动在空气中传播的速度，可由公式米/秒（T是空气的温度，单位为K）计算其值。

如下图所示，设在等截面长圆管内充满静止状态的可压缩流体，管内右端装有一活塞，当活塞以微小速度向左运动时，在活塞附近的气体受到活塞的扰动产生一个微小的平面压力波。随后该压力波开始在圆管内向左运动，这就是压力波的传递，其速度就是声速，通常用表示。

在微弱扰动波波面通过之前的流体处于静止状态，压强为，密度为，而在波面通过之后，流体的速度由零变为，压强由变为，密度由变为。为了研究方便，将图2-50（a）中的绝对坐标转换成图2-50（b）所示的相对坐标，即将坐标系建立在波面上并随扰动波面一起运动。在上述相对坐标系下，流体始终以音速由控制体左侧流入波面所在控制体，而以的速度由控制体的右侧流出波面控制体。流体流入波面控制体时压强为，密度为；而流体流出波面控制体时压强则为，密度为

根据连续性方程可得：

整理上式并略去高阶小量后得到：

在忽略黏性力和质量力时，在水平方向对控制体应用动量定理可得：

（2 - 157）

整理可得：（2 - 158）

式（2 - 157）与式（2 - 158）相乘消去得到：

因此音速的基本计算公式为：（2 - 159）

结合式 (2-16) 弹性模量的定义可得：（2 - 160）[：杨氏模量（衡量固体刚度）；：固体密度]

式 (2 - 160) 说明音速与流体弹性模量的平方根成正比，而与流体密度的平方根成反比。同时根据流体压缩性与弹性模量成反比的关系可以说明音速与流体的压缩性有着密切的关系。

对于气体而言，由于压力波传递速度很快，可以认为无能量的耗散。气体的运动满足等熵方程，即

由此可得：同时，在压强不是很高、温度不是很低的情况下，气体还符合理想气体状态方程，由此可得音速公式：（2 - 162）

式中：—— 气体绝热指数，，与气体的种类有关，常见气体的绝热指数分别为空气1.4，干饱和水蒸气1.135，过热蒸汽1.33； —— 气体常数，,；—— 通用气体常数，； —— 气体摩尔质量。

由式 (2-162) 音速计算公式可知，介质为气体时音速与气体的种类有关（气体的种类决定气体绝热指数和气体常数）；同时音速还与气体的热力学温度的平方根成正比。温度越高的气体其声速也越大，反之亦然。

通常所说的声速340m/s是指常压下，温度15℃（288K）时声音在空气中的传播速度。对于空气，绝热指数，根据式 (2 - 162) 可得：

以上参考：

传播介质

从声源发出的声波以一定的速度向周围传播，意味着声波的能量也以一定的速度向周围传播。音速，指声波在介质中传播的速度。除了空气可以传递声音之外，液体和固体也都是声音的介质，且因为液体、固体的分子排列更为紧密，传递声音的速度也比空气快。音速的数值在固体中比在液体中大，在液体中又比在气体中大。

传播速度

音速的大小因媒质的性质和状态而异。一般说来，音速的数值在固体中比在液体中大，在液体中又比在气体中大。空气中的音速，在标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒，即1224公里/小时。音速的大小还随大气温度的变化而变化，在对流层中，高度升高时，气温下降，音速减小。在平流层下部，气温不随高度而变，音速也不变，为295.2米/秒。空气流动的规律和飞机的空气动力特性，在飞行速度小于音速和大于音速的情况下，具有巨大的差别，因此，研究航空器在大气中的运动，音速是一个非常重要的基准值。音速随介质密度增大而减小，随介质刚度增大而增大，例如金刚石的密度小于铁、刚度远大于铁，其音速12000米/秒）也远高于铁（5120米/秒）。

测定方法

实验测量

声波的传播速度c与其频率f和波长λ的关系为可知，测得声波的频率和波长，就可以得到声速。

同样，传播速度为

测量音速的方法有多种，如干涉共振驻波法、水浸式脉冲插入取代法、脉冲透射时差法、脉冲回波法、相位比较法等。

干涉共振驻波法

实验装置如下图所示，图中S1和S2为压电晶体换能器，S1作为声波源，它被高频信号发生器输出的交流电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向介质中定向发出近似为平面正弦波的超声波；S2为超声波接收器，超声波传至它的接收面上时被反射。当S1和S2的表面近似平行时，超声波就在两个平面间来回反射。根据驻波原理，当两个平面间距L为半波长的整倍数，即，n=0,1,2等时，S1发出的超声波与其反射超声波在S1和S2之间共振形成驻波。

驻波法测波长物理原理：单射波与反射波的声压、在介质中波动方程分别表达如下：

叠加后合成波，经过和差化积公式处理：

得：

当时，的幅度为±2A，产生声压的波腹；当时，，产生声压的波节。因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置、即可测算得波长。

根据驻波原理，当时，在S2分界面左侧的介质（空气）中，由于单射波与反射波质点振动速度相位相反，所以合成的质点振动速度为0，形成质点振动速度的波节；同时入射波与反射波的声压同相，形成声压的波腹；在S2分界面的右侧介质（压电晶片）中，由于左侧介质合成质点振动速度为0，所以波动并没有向右侧的介质传播，S2的压电晶片只感受到2倍入射声压，其幅度最大，但仍然随时间波动。反映在接收器上就是一个压强的峰值，对应示波器输出一个电压的峰值。

该实验测量的是声压，所以当接收换能器S2位于的整数倍时，接收器声压的输出会出现明显增大。从示波器上观察到的电信号幅值也是极大值（如下图）。图中各极大值之间的距离均为，由于散射和其他损耗，各极大值的幅值随距离增大而逐渐减小。只要测出各极大值对应的接收器S2的位置，就可测出波长。由信号源读出超声波的频率值后，即可由式算出声速。该方法常用于测量频率较低声波的音速，当用于测频率较高的超声波时，需特别注意。如果S1，S2之间的介质是空气，则超声波衰减很严重，可以将介质换成水等声衰减相对小的介质。

水浸式脉冲插入取代法

设样品以及水中的声速分别以和表示，是样品的厚度，置入样品时引起的接收脉冲时移为，

则样品音速为

由下图所示，只需要测得插入样品引起的脉冲时移时，就能根据式上式算出样品中的音速。水浸式脉冲插入法优点为简单、方便、精确，需要样品数量少。

海水音速速测量

在海上，音速测量一般采取两种方法，即直接测量法和间接测量法。其中，以直接测量法为主，并作为仲裁测量方法，间接测量法为辅助方法。

直接测量法

直接测量法指采用有关仪器直接测出声波通过水中固定两点所需的时间，然后换算出对应的音速值。直接测量法使用的设备一般称为声速仪，通常采用电声电路测出声波，利用收发换能器得到声信号在固定的距离所需要的时间，从而计算出音速值，同时以压力传感器及温度补偿装置测量水深。根据获取音速的方法的不同，通常又分为环鸣法、相位法、脉冲叠加法、驻波干涉法等。简单介绍最常用的环鸣法以及相位法。

环鸣法

发射换能器产生的脉冲在海水中传播一定距离后被接收换能器接收，经过放大整形鉴别后产生一个触发信号立即触发发射电路。这样的循环不断进行，就可以得到一个触发脉冲序列。忽略热力学循环中的电延迟，得到的重复周期时间可认为是通过固定距离的时间，由此计算得到海水声速。目前常见的海水声速仪大多是采用环鸣法的原理制成的。

相位法

通过测量收发信号的相位差，计算固定频率的波长，最后获得音速，该方法可以避免环鸣法每一次循环中电声和电声转换带来的误差，也是一种常用的方法。随着信号处理技术的发展，对相位法的精度正不断提高，该方法的测量精度也不断提高。此外，一般在海水中测音速，还要考虑如下因素：被测海域的水文要素；声速在海水中的传播特性；特殊水域，由于某种原因，音速剖面变化复杂，需做小间距测量；表层和底部的音速测量也非常重要。

间接测量法

间接测量法是根据海水音速与海水温度、盐度、压力（或深度）的关系所建立的海水音速经验公式，通过这些水文参数的测量数据换算出各水层的深度和海水音速值。目前，该方法的测量精度超过了直接测量法，尤其是在开阔不冻的海洋中，盐度的变化量通常是可以忽略不计的，一旦对深度的影响做修正后，温度相对于深度的关系曲线与音速分布剖面是完全一致的。但是，该方法只适用于已有海水音速经验公式的海域。

影响因素

气体中微小扰动的传播，是由气体内无规则运动的分子相互碰撞实现的。这一传播过程属于等熵过程——即扰动经过气体后，气体本身的状态（如温度、压强等）与扰动传播前保持一致。由于扰动的传播速度取决于分子碰撞，因此音速也与气体的状态密切相关。在特定气体中，音速是一个恒定值，但该恒定值的大小取决于两个因素：一是气体的种类（如空气、纯氧、二氧化碳等），二是气体的温度。

空气中的音速取决于气体种类与气体温度。在地球上，大气主要由双原子分子构成（氮气与氧气为主），且温度随平均海拔的变化规律较为复杂。为此，科学家与工程师建立了大气数学模型，以量化温度随海拔变化对音速产生的影响。除温度和化学成分外，固体的刚度、密度和可压缩性也会影响声速（因固体中存在剪切波）。

应用领域

音速在众多科学与技术领域中都具有重要意义。

声学与音乐领域

在音乐和声学领域，音速是理解声音产生与感知机制的关键。音乐家和音响技术人员在设计乐器、以及为大型空间（如音乐厅、剧场）搭建音响系统时，必须考虑声速因素——只有这样，才能实现目标频率与音调的精准还原，确保声音的保真度。

医学领域

医学超声检查（B 超）利用音速来确定人体内部组织的深度与距离。超声设备通过向人体发射声波，测量声波经组织反射后返回的时间，进而生成内脏器官及体内结构的精确图像，为疾病诊断提供依据。

地球物理学领域

音速是地球物理勘探中的基础工具。以地震勘探为例，工作人员会在地球表面产生声波，然后记录这些声波穿过不同类型岩石和地下岩层后的到达时间。通过分析这些数据，地质学家和地球物理学家能够研究地下的物质组成与结构，为矿产资源勘探、油气开发及地质灾害预警等提供依据。

土木工程领域

在土木工程中，音速对建筑结构检测和缺陷排查至关重要。超声检测技术（利用高频声波）可在不破坏建筑结构的前提下，识别建筑材料（如混凝土、钢材）中可能存在的问题，例如混凝土内部的裂缝、钢材的焊接缺陷等，保障建筑工程的安全性和稳定性。

航空航天领域

在航空航天领域，物体飞行速度与音速的比值被称为 “马赫数”（Mach number）。当物体速度超过声速时，会产生一种被称为 “音爆”（sonic boom 或 sonic bang）的现象。这种现象可能对附近的飞行器和地面建筑产生显著影响，因此在飞行器设计、飞行路线规划中需重点考虑声速相关特性。

空气流动的规律和飞机的空气动力特性，在飞行速度小于音速和大于音速的情况下具有质的差别，因此，研究飞机在大气中的运动，音速是一个非常重要的基准值。空气中音速是压缩性的基本参数，越大表示越不易压缩。在可压缩流中，只有将流动速度与音速进行比较才能表明压缩性是大或是小。马赫(Ma)是衡量空气压缩性影响的最重要参数。

根据马赫数的大小，通常将气体流动分为三种不同的类型：

例如：1964年5月11日，以每小时3200公里速度飞行的B-70轰炸机在加利福尼亚州帕默达尔北方美国飞机厂正式露面，而该飞机起飞前的研究工作并不为人所知。

在耗资13.4亿美元的空军工程中，按计划只能再生产一架这类飞机。该机设计能力为在20000米上空飞行6000英里，它为飞机的性能创造了新的标准。但批评者们认为它的技术是过时了的。飞机的支持者反驳说B-70开创了使用轻金属钛的先例，其中有6吨钛用于飞机机体前身。可以相信，机重275吨的B-70是迄今建造的飞机最重的，由6部喷气发动机作动力，进气口大到足以使一个身高1.8的人直立其中。B-70于1964年9月21日首次试飞，而在后续飞行测试过程创下21500米高度，3倍音速巡航速度的世界纪录。

气象学领域

在气象学中，音速可用于计算地球大气层各层的高度。无线电探空仪（通过放飞搭载传感器的气象气球实现）会测量不同高度的温度、湿度和气压，随后结合声速数据推算空气密度，为气象预报、大气研究提供关键参数。

定义