Tốc độ âm thanh

Tốc độ âm thanh – Speed of sound(hay còn gọi là vận tốc âm thanh) là một khái niệm chúng ta thường hay nghe rất nhiều. Đặc biệt quan trọng trong ngành khoa học kỹ thuật cũng như hàng không vũ trụ. Vậy tốc độ âm thanh là gì? Vận tốc âm thanh thay đổi như thế nào trong các môi trường khác nhau. Ứng dụng của nó trong công nghiệp và khoa học kỹ thuật như thế nào? Để trả lời những câu hỏi này, mời các bạn cùng theo dõi bài viết phía dưới

Giới thiệu về tốc độ âm thanh

Tốc độ âm thanh là gì?

Tốc độ âm thanh(Hay còn gọi và vận tốc âm thanh) là tốc độ mà sóng âm truyền qua môi trường. Đây là tốc độ tối đa mà âm thanh có thể di chuyển trong một chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn. Tại nhiệt độ và áp suất chuẩn, tốc độ âm thanh trong không khí ở mức khoảng 343 mét/giây hoặc khoảng 1.236 km/giờ. Tuy nhiên, nó có thể khác nhau trong các chất khí và chất lỏng khác nhau. Ví dụ, tốc độ âm thanh trong nước ở điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn khoảng 1.500 m/s, gấp 4,3 lần so với trong không khí. Vận tốc âm thanh là một trong những khái niệm rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật, y học, vũ trụ học, quân sự và ngành hàng không vũ trụ.

Lịch sử của tốc độ âm thanh

Tốc độ âm thanh là một khái niệm đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ rất lâu. Dưới đây là những mốc sự kiện quan trọng trong lịch sử của vận tốc âm thanh:

• Thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên: Nhà triết học Hy Lạp, Empedocles, đã nghiên cứu về âm thanh và giải thích sự truyền âm qua không khí bằng khái niệm về sự tồn tại của các phần tử được gọi là “khí”.
• Thế kỷ thứ 17: Nhà khoa học người Anh, Robert Boyle, đã phát hiện ra rằng tốc độ truyền âm của âm thanh trong không khí tăng lên khi áp suất giảm và giảm đi khi áp suất tăng.
• Thế kỷ thứ 18: Nhà khoa học người Áo, Ernst Chladni, đã sử dụng cát và bề mặt phẳng để minh họa các mô hình sóng âm và quan sát sự tương tác giữa các sóng âm khác nhau.
• Năm 1822: Nhà khoa học người Pháp, Jean-Daniel Colladon và Charles Sturm, đã sử dụng thủy ngân để đo tốc độ âm thanh trong nước, và đã tính được vận tốc âm thanh là khoảng 1.435 m/s.
• Năm 1842: Nhà khoa học người Đức, Christian Doppler, đã đưa ra công thức về hiệu ứng Doppler, mô tả sự thay đổi tần số của sóng âm khi nguồn phát di chuyển đối với người quan sát tĩnh.
• Năm 1926: Nhà khoa học người Mỹ, Robert Goddard, đã thiết kế và phóng thành công một tên lửa đầu tiên sử dụng động cơ tách hạt nhân, cho phép nó bay nhanh hơn tốc độ âm thanh.

Từ đó đến nay, tốc độ âm thanh đã trở thành một khái niệm rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật.

Các đơn vị đo lường tốc độ âm thanh

Các đơn vị đo lường tốc độ âm thanh

Vân tốc âm thanh là một đại lượng vật lý và được đo bằng nhiều đơn vị khác nhau tùy thuộc vào hệ thống đo và mục đích sử dụng. Dưới đây là các đơn vị đo lường phổ biến:

• M/s (mét/giây): Đây là đơn vị đo lường  theo hệ đo lường SI (Hệ đo lường quốc tế). Tốc độ âm thanh trong không khí là khoảng 343 m/s ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường.
• Ft/s (feet/giây): Đây là đơn vị đo lường phổ biến ở Hoa Kỳ. 1 ft/s tương đương với khoảng 0,3048 m/s.
• Km/h (Kilômét/giờ): Đây là đơn vị đo lường tốc độ thông dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Tốc độ âm thanh tương đương với khoảng 1.234,8 km/h.
• Mach (M): Đây là đơn vị đo tốc độ so với tốc độ âm thanh trong không khí. Một Mach tương đương với vận tốc âm thanh và được ký hiệu là Ma. Ví dụ: Một máy bay bay ở tốc độ Mach 2 có nghĩa là nó đang bay với tốc độ gấp đôi Vận tốc âm thanh
• Knot (hải lý/giờ): Đây là đơn vị đo tốc độ phổ biến trong lĩnh vực hàng hải. Một knot tương đương với 1,852 km/h.

Giới thiệu thêm về tốc độ siêu thanh –  Mach

Tốc độ siêu thanh là tốc độ vượt qua tốc độ âm thanh trong không khí, tức là tốc độ vượt qua 1.225 km/h (khoảng 767 mph) ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Để đo tốc độ siêu thanh, người ta sử dụng đơn vị Mach, một đơn vị đo lường tốc độ được đặt theo tên của nhà vật lý Ernst Mach, người đã nghiên cứu và phát triển các phương pháp đo lường về âm thanh và động lực học.

Tốc độ Mach 1 tương đương với tốc độ âm thanh và là khoảng 1.225 km/h hoặc 340 m/s. Tốc độ Mach 2 tương đương với hai lần vận tốc âm thanh, tốc độ Mach 3 tương đương với ba lần vận tốc âm thanh, và cứ như vậy. Vì vậy, tốc độ Mach thể hiện tốc độ của một đối tượng so với tốc độ âm thanh, cũng như mức độ nhanh chóng của dòng chất lỏng hoặc khí.

Một số ví dụ về đối tượng di chuyển với tốc độ siêu thanh bao gồm máy bay siêu thanh, tên lửa, máy bay chiến đấu và các loại phương tiện bay khác. Tốc độ siêu thanh có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ vận chuyển hàng hóa và du lịch đến quân sự và nghiên cứu khoa học. Tuy nhiên, việc phát triển và sử dụng các phương tiện di chuyển với tốc độ siêu thanh còn gặp nhiều thách thức về kỹ thuật, an toàn và kinh tế.

Các yếu tố làm ảnh hưởng tới vận tốc âm thanh

• Nhiệt độ: Tốc độ âm thanh tăng lên khi nhiệt độ tăng và giảm đi khi nhiệt độ giảm. Ở nhiệt độ phòng, tốc độ âm thanh trong không khí là khoảng 343 m/s. Nếu nhiệt độ tăng lên, tốc độ âm thanh cũng tăng theo và ngược lại.
• Độ ẩm: Tốc độ âm thanh cũng bị ảnh hưởng bởi độ ẩm của không khí. Khi độ ẩm tăng, khả năng truyền tải âm thanh qua không khí giảm, do đó tốc độ âm thanh cũng giảm.
• Áp suất không khí: Tốc độ âm thanh cũng phụ thuộc vào áp suất không khí. Khi áp suất tăng, tốc độ âm thanh cũng tăng và ngược lại.
• Tính chất của chất dẫn: Vận tốc âm thanh cũng phụ thuộc vào tính chất của chất dẫn. Ví dụ như tốc độ  trong chất rắn (ví dụ như kim loại) cao hơn so với tốc độ trong không khí.
• Độ cao: Nó cũng phụ thuộc vào độ cao trên mực nước biển. Khi độ cao tăng lên, áp suất không khí giảm, do đó tốc độ  cũng giảm theo.
• Tần số: Tần số là một yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc âm thanh. Các sóng âm có tần số cao hơn cần ít thời gian hơn để di chuyển qua một khoảng cách nhất định, do đó tốc độ âm thanh sẽ cao hơn

Tốc độ âm thanh ở các môi trường khác nhau

Vận tốc âm thanh trong chất rắn

Vận tốc âm thanh trong chất rắn (còn gọi là vận tốc đàn hồi âm thanh) là tốc độ lan truyền sóng âm trong các vật liệu rắn như kim loại, đá, gỗ, bê tông, thủy tinh, nhựa, vv. Tốc độ này phụ thuộc vào độ cứng và độ mềm của vật liệu. Thông thường, các chất rắn có độ cứng lớn hơn và tốc độ âm thanh trong chúng cũng lớn hơn. Vận tốc âm thanh trong chất rắn có nhiều ứng dụng thực tiễn, như trong việc phát hiện và đo lường độ chính xác của vật liệu, trong các công nghệ chế tạo và gia công, trong khoa học vật liệu, vv.

Từ công thức tính tốc độ âm thanh trên chúng ta có thể dễ dàng tính toán được vận tốc trong chất rắn khác nhau, cụ thể:

• Kim loại: vận tốc âm thanh trong kim loại thường từ 2.000 đến 6.000 m/s tùy thuộc vào loại kim loại và cấu trúc của nó. Ví dụ, vận tốc âm thanh trong thép là khoảng 5.940 m/s.
• Đá: vận tốc âm thanh trong đá thường từ 2.000 đến 6.000 m/s tùy thuộc vào loại đá và cấu trúc của nó. Ví dụ, vận tốc âm thanh trong đá granit khoảng 6.000 m/s.
• Gỗ: vận tốc âm thanh trong gỗ thường từ 2.000 đến 4.000 m/s tùy thuộc vào loại gỗ và hướng truyền sóng. Ví dụ, vận tốc âm thanh trong gỗ sồi khoảng 3.900 m/s.
• Bê tông: vận tốc âm thanh trong bê tông thường từ 3.000 đến 4.500 m/s tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Ví dụ, vận tốc âm thanh trong bê tông có độ cứng cao khoảng 4.500 m/s.

Tốc độ âm thanh trong môi trường chất lỏng

Vận tốc âm thanh trong chất lỏng (còn gọi là vận tốc sóng âm trong chất lỏng) là tốc độ lan truyền sóng âm trong các chất lỏng như nước, dầu, cồn, vv. Tốc độ này phụ thuộc vào độ dày, độ nhớt, độ cứng và độ nén của chất lỏng. Thông thường, các chất lỏng có độ nhớt và độ cứng cao hơn và tốc độ âm thanh trong chúng cũng cao hơn. Tốc độ âm thanh trong chất lỏng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như trong việc kiểm tra chất lỏng, trong công nghệ sản xuất và gia công, trong y khoa, vv.

Có thể sử dụng công thức tính tốc độ âm thanh trong môi trường chất lỏng như sau:

Trong đó:

C: Tốc độ âm thanh trong chất lỏng

K: Độ cứng thể tích của chất lỏng

ρ: là khối lượng riêng của chất lỏng

Từ công thức đó chúng ta có thể dễ dàng tính toán được các thông số, ví dụ như bên dưới:

• Nước: vận tốc âm thanh trong nước khoảng 1.480 m/s ở 25°C.
• Dầu: vận tốc âm thanh trong dầu phụ thuộc vào loại dầu, từ khoảng 1.000 m/s đến 2.000 m/s.
• Cồn: vận tốc âm thanh trong cồn phụ thuộc vào nồng độ cồn, nhiệt độ và loại cồn, từ khoảng 1.100 m/s đến 1.500 m/s.

Tốc độ âm thanh trong môi trường không khí

Trong môi trường không khí ở điều kiện tiêu chuẩn (điều kiện thực tế thường gặp), tốc độ âm thanh là khoảng 343 mét trên giây (m/s) hoặc khoảng 1.235 km/giờ (km/h). Tuy nhiên, tốc độ này có thể thay đổi tùy thuộc vào một số yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí.

Trên Trái Đất, tốc độ âm thanh trong không khí phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Trong không khí ở 20 độ C (68 độ F), Vận tốc âm thanh khoảng 343 m/s (1.125 ft/s). Độ ẩm và áp suất không khí cũng ảnh hưởng đến tốc độ của nó

Nếu độ ẩm của không khí tăng, tốc độ âm thanh sẽ tăng. Điều này là do phân tử nước có khối lượng nhẹ hơn so với khí Nitơ và khí Oxy trong không khí. Khi độ ẩm tăng, phân tử nước sẽ chiếm một phần lớn hơn trong không khí, dẫn đến tốc độ trung bình của phân tử trong không khí tăng lên, và do đó vận tốc âm thanh sẽ tăng lên theo.

Ngoài ra, tốc độ của nó trong không khí còn phụ thuộc vào áp suất không khí. Áp suất không khí càng cao thì phân tử sẽ chịu áp suất càng lớn, điều này khiến chúng chuyển động nhanh hơn và gây ra vận tốc cao hơn. Tuy nhiên, ở độ cao độ khác nhau, áp suất không khí sẽ khác nhau, dẫn đến tốc độ âm thanh cũng khác nhau. Ở độ cao độ thấp hơn, áp suất không khí sẽ cao hơn và vận tốc âm thanh cũng sẽ cao hơn, trong khi ở độ cao độ cao hơn, áp suất không khí sẽ thấp hơn và tốc độ của nó cũng sẽ thấp hơn.

Ngoài ra, vận tốc âm thanh trong không khí còn phụ thuộc vào thành phần của khí trong không khí. Trong không khí, khí Nitơ chiếm khoảng 78%, khí Oxy chiếm khoảng 21% và các khí khác chiếm khoảng 1%. Tốc độ âm thanh sẽ phụ thuộc vào khối lượng riêng của mỗi khí trong không khí, do đó thành phần của khí trong không khí cũng ảnh hưởng đến tốc độ này

Tầm quan trọng của tốc độ âm thanh

Việc nghiên cứu, phát hiện và đo được vận tốc âm thanh là vô cùng quan trọng trong cuộc sống, sản xuất cũng như lĩnh vực khoa học kỹ thuật, âm nhạc…Có thể liệt kê được tầm quan trọng của dạng tốc độ này như sau

• Ứng dụng trong hàng không: Tốc độ âm thanh là một trong những thước đo quan trọng trong lĩnh vực hàng không vì nó ảnh hưởng đến vận tốc của các máy bay. Khi máy bay chạm đến tốc độ âm thanh, sẽ có hiện tượng kẹt âm, tạo ra áp lực lớn, gây ra những vấn đề về độ ổn định và an toàn cho máy bay.
• Ứng dụng trong y tế: Nó được sử dụng để xác định vị trí của một số cơ quan trong cơ thể con người. Kỹ thuật siêu âm sử dụng để tạo ra hình ảnh và phát hiện các vấn đề về sức khỏe. Liên quan đến tốc độ sóng âm để chuẩn đoán hình ảnh
• Ứng dụng trong âm nhạc: Tốc độ âm thanh có thể ảnh hưởng đến âm nhạc và cách chúng ta nghe thấy nó. Những âm thanh vượt quá vận tốc âm thanh sẽ không thể nghe được bằng tai người, nhưng chúng vẫn có thể tác động đến cơ thể của chúng ta.
• Ứng dụng trong công nghệ: Vận tốc âm thanh được sử dụng để thiết kế các thiết bị như loa, tai nghe, microphone, cảm biến âm thanh và các thiết bị âm thanh khác. Hiểu biết về tốc độ âm thanh cũng giúp cho các kỹ sư thiết kế và sản xuất thiết bị âm thanh để đảm bảo chúng hoạt động hiệu quả.
• Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp: Tốc độ âm thanh được sử dụng trong quá trình sản xuất công nghiệp để phát hiện các vật liệu bị trầy xước hoặc hư hỏng. Ngoài ra, nó còn được sử dụng để đo khoảng cách và độ dày của các vật liệu như kim loại và nhựa. Người ta cũng sử dụng tốc độ này đo sóng âm phản hồi của hệ thống hơi nóng như các loại bẫy hơi đề có thể biết được tình trạng hoạt động của nó

So sánh giữa tốc độ âm thanh và tốc độ ánh sáng

Một câu hỏi rất hay và cũng rất nhiều bạn đọc thắc mắc muốn tìm hiểu về sự khác nhau giữa hai loại tốc độ này. Chúng ta cùng xem chi tiết so sánh

Các bạn thân mến, vậy là chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu về tốc độ âm thanh hay còn gọi là vận tốc âm thanh. Một chủ đề tôi cho là khá thú vị và được sử dụng ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống cũng như công nghiệp hiện đại ngày nay

Bài viết chúng tôi đã nêu khái niệm vận tốc âm thanh là gì? sự khác biệt của vận tốc này trong các môi trường khác nhau như thế nào. Cùng với đó là công thức tính vận tốc âm thanh cho các bạn áp dụng ở các môi trường khác nhau

Hẹn gặp lại các bạn ở các bài viết sau!