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音速

音速是介质中微弱压强扰动的传播速度,其大小因媒质的性质和状态而异。空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340m/秒。

声速顾名思义即是声音的速度,为声音系以波的形式传播,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绝对关系,而与发声者本身的速度无关,而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,而是压缩波密集累积所产生的物理现象

一般说来,音速与介质性质和状态有关。在压缩性小的介质中音速大于在压缩性大的介质中的音速。介质状态不同,音速也不同。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。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,具有质的差别,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。

音速不是一个固定的值。在干燥空气中,音速的经验公式是:

音速 u=331.3+(0.606c)m/s(c=摄氏气温)

常温下(15℃),音速为 u=331.3+(0.606x15)= 340.4m/s,这就是为什么都说音速是 340m/s (1225km/h)的缘故。潮湿空气的音速略有增加,但是幅度不到0.5%,大多数场合可以忽略不计。对于华氏气温,可以用公式换算: F=9C/5+32(C=摄氏气温)。

国际标准大气ISA规定: 在对流层中(0~11000m),海平面的气温为 15℃,气压 101325Pa,空气密度1.226kg/m,海拔每升高1000m,气温下降 6.5℃。

利用上面的公式计算不同海拔的气温,再综合前面的音速经验公式,就可以推算不同海拔的音速了。

在11000~20000m的高空(属平流层,气温基本没有变化,所以又叫"同温层"),温度下降到零下57℃(15-11x6.5= -56.5℃),这里的音速是 u= 331.3+[0.606x(-57)]= 296.7m/s (约1068km/h). 喷气式飞机都喜欢在 1万米左右的高空巡航,因为这里是平流层的底部,可以避开对流层因对流活动而产生的气流。在11000~20000m的同温层内,音速的标准值是1062km/h,而且基本稳定.

喷气式飞机都用马赫数Ma来表示速度,而不用对地速度。这是因为物体在空气中飞行时,前端会压缩空气形成波动,这个波动是以音速传播的(因为声波也是波动的一种)。如果物体的飞行速度超过音速,那么这些波动无法从前端传播,而在物体前端堆积,压力增大,最终形成激波激波是超音速飞行的主要阻力源。

物体飞行速度一旦超过音速,必然产生激波。激波会极大地增加飞行阻力,影响到整个飞行状态以及燃料的消耗。在不同的空气环境中,尽管飞行器的 Ma数相同,但他们的对地速度是不相等的; 不过,他们受到的阻力却大致相当。 所以,飞行器都是用当地的音速,来衡量当前速度的。

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