Prędkość dźwięku

To prędkość, z jaką w danym ośrodku rozchodzi się fala akustyczna. Fala akustyczna jest falą mechaniczną, czyli powoduje wytrącanie cząsteczek ośrodka ze stanu równowagi (odkształcenie go). Propagować może się zatem w materialnych ośrodkach sprężystych. Od parametrów tego ośrodka, a konkretnie od jego sprężystości i gęstości, zależy jej prędkość. Ogólny wzór na prędkość z jaką w danym ośrodku rozchodzi się zaburzenie spełniające klasyczne równanie falowe ma postać:

Jak widać predkość ta rośnie wraz ze wzrostem sprężystości ośrodka i spadkiem jego gęstości.

W przypadku gazów, np. powietrza, propagacja fali akustycznej jest procesem adiabatycznym tzn. takim, w którym bilans cieplny jest zerowy. Korzystając z równania procesu adiabatycznego i zakładając dodatkowo, że ciśnienie akustyczne jest małe, stwierdzamy, że prędkość dźwięku w gazach wynosi:

Prędkość dźwięku w gazach zależy zatem od ich składu i temperatury. Co ciekawe jest ona porównywalna ze średnią prędkością poruszania się cząsteczek danego gazu, tzw. prędkością termiczną.

Warto pamiętać, że jeżeli zaburzenie ośrodka będzie duże, prędkość jego propagacji będzie większa niż wynika to z przedstawionego wzoru. Sytuację taką mamy np. w przypadku fali uderzeniowej. Rozumowanie powyższe traci również sens w przypadku fal o bardzo dużych częstotliwościach, których długość jest porównywalna ze średnią drogą swobodną cząsteczek gazu. Dla powietrza w normalnych warunkach granicę tę wyznacza częstotliwość ok. 1 GHz.

W cieczach i ciałach stałych fala akustyczna może się rozchodzić z prędkościami większymi niż w gazach. Są to ośrodki charakteryzujące się większą sprężystością. Należy zwrócić uwagę, że sprężystość ośrodka jest właściwością związaną z konktretnym rodzajem odkształcenia ośrodka. O ile w gazach może propagować się tylko fala podłużna, a jedynym odkształceniem sprężystym może być zmiana jego objętości, o tyle w cieczach może już propagować się fala powierzchniowa (będąca złożeniem fali podłużnej i poprzecznej na powierzchni cieczy), a w ciałach stałach, dodatkowo fala skrętna i giętna. Każda z tych fal, w danym ośrodku, rozchodzi się z inną prędkością, ponieważ z każdą z nich związany jest inny rodzaj odkształcenia ośrodka i tym samym, inna wartość modułu sprężystości ośrodka.

Wartości prędkości dźwięku w wybranych ośrodkach:
- powietrze (przy temp. 20°) ... 343 m/s
- woda ... 1460 m/s
- stal ... 5790 m/s
- beton ... 3800 m/s
- szkło ... 5500 m/s
- lód ... 3230 m/s