Скорость звука является единственной величиной, а скорость атомов распределяется по многим величинам. Размывается ли фронт звуковой волны?

Да, но в регионах, о которых мы думаем, последствия незначительны.

Если вы представляете себе объем воздуха как ящик с атомами, прыгающими вокруг, вы можете применить к этому ящику осциллирующий градиент давления и показать, что он ведет себя достаточно близко к идеальной среде распространения волн, что вам может сойти с рук использование такой идеальной модели. . Изменения, на которые вы смотрите, «сглаживаются» на временной шкале, намного меньшей, чем временная шкала передаваемой звуковой волны. Это случай, когда центральная предельная теорема весьма полезна — вы можете в основном показать, что дисперсия статистической среды, о которой вы думаете, достаточно пренебрежимо мала, когда она происходит во временных масштабах, о которых мы думаем, когда думаем о звуковых волнах. Это не значит, что эффекты, о которых вы думаете, не происходят,

Для этого используется термин «расслабление». Предполагается, что стохастическая система, которую вы приводите, «расслабляется» достаточно быстро по сравнению с тем поведением, которое нас волнует, и нам не нужно беспокоиться об этих деталях. Случайное поведение скрывает любую информацию, которая могла бы содержаться в точной структуре носителя. Остается только однородная система, которая благодаря центральной предельной теореме и большому числу частиц ведет себя почти как идеальная среда для распространения волн.

Это предположение не всегда справедливо. Бывают случаи, когда вам нужно использовать более полную модель, включающую статистическую модель молекул воздуха. Один конкретный случай, когда нам приходится это делать, — это когда мы имеем дело с объектами, скорость которых приближается к скорости звука. Когда вы приближаетесь к скорости звука, предположение о том, что стохастические эффекты имеют достаточно короткий временной масштаб, чтобы мы могли их игнорировать, начинает разваливаться. Временная шкала интересующих нас событий начинает приближаться к времени релаксации стохастической системы частиц. Теперь мы должны учитывать виды эффектов, на которые вы смотрите, потому что они имеют существенное влияние. Теперь мы начинаем видеть поведение, похожее на ударные волны, которые никогда не появлялись на более низких скоростях.

Мы также должны начать рассматривать более полные модели при работе с очень громкими звуками. Как только звук превысит 196 дБ, вы не сможете использовать хорошие простые формулы распространения идеальной волны, потому что сторона низкого давления волны настолько низка, что вы получаете вакуум 0 атм. Правильное моделирование требует включения эффектов, которых не было в простой модели, которую мы используем каждый день для звуков нормальной громкости на нормальной скорости.

Да, просто на практике это практически незаметно. Существует также рассеяние, потому что частицы не все одинаковы (H2O, N2, O2 и т. д.), но и этим обычно можно пренебречь. В основном потому, что в одной волне так много частиц. Учтите, что волна должна быть очень короткой, прежде чем она станет заметной (мегагерцы).

Я думаю, что это может быть правильно. Отдельные молекулы воздуха действительно беспорядочно движутся и колеблются. Когда генерируется большое количество энергии, эти случайные движения накладываются почти на однородное поведение, что делает возможным распространение звука. Это очень похоже на свободные электроны в металле. Без разницы потенциалов движение этих электронов хаотично, как молекул воздуха. Однако при приложении ЭДС случайные скорости этих электронов накладываются друг на друга, что вызывает упорядоченный поток электронов, как и в случае молекул воздуха (только они колеблются в продольном направлении). Вы также можете связать это с распространением тепла по стержню.

Рассмотрим коробку, полную воздуха, в стационарном состоянии (закрытая система). Если объем этой коробки$22.4~\mathrm l$Существуют$6.022\cdot10^{23}$частицы внутри, которые имеют максвелловское распределение скоростей. Эти скорости ориентированы случайным образом, и мы можем сместить фокус с описания одной частицы на описание всего тела, предполагая, что оно является непрерывным и однородным.

Тогда мы можем определить давление и температуру как меру суммарной энергии всех частиц в пространстве. Если объем находится в стационарном состоянии, температура и давление одинаковы в пространстве и времени, но все же отдельные молекулы сохраняют максвелловское распределение и резко меняют свою [кинетическую] энергию и направление.

При введении звука в этот объем стационарное состояние нарушается и нарушается однородность давления. Предположим, что давление частично однородно и в этих частях достаточно частиц, чтобы мы могли корректно ввести локальные значения температуры и локального давления. На границе частицы из объема высокого давления несут больший импульс, чем частицы из объема низкого давления в сумме. Бывают случаи, когда частицы высокоэнергетического хвоста из области низкого давления передают свой импульс частицам низкоэнергетического хвоста из объема высокого давления, но вероятность такого столкновения мала.

Таким образом, волна давления, известная как звук, распространяется по объему в соответствии с принципом Гюйгенса.

А теперь представьте, что у нас есть такая коробка в открытом космосе, в вакууме, и мы вдруг убираем стены. Молекулы быстро рассеются, и звук тоже станет размытым. Аппроксимация системы континуумом станет недействительной.

Скорость звука непостоянна . Это функция модуля упругости (или его ближайшего аналога в материале) и плотности материала. В газах она заметно зависит от температуры. В твердых телах скорость звука зависит от типа волны; разные виды волн имеют разные модули упругости.

В целях оценки скорости звука соответствующие свойства (такие как давление, плотность, температура и модуль упругости) оцениваются для небольших объемов, которые намного больше, чем объем одного атома.

Я думаю, что звуковая волна ДЕЙСТВИТЕЛЬНО распространяется и рассеивается на достаточном расстоянии. Учти это:

Маленькая динамитная шашка взрывается на ровном пустом поле. Волна сжатия воздуха (которая и создает звук) удаляется от источника взрыва со скоростью около 340 м/с и распространяется в виде полусферы наружу.

Через секунду после взрыва радиус волны сжатия составляет примерно 340 метров, а «толщина» волны сжатия такая-то. По мере того как радиус волны продолжает увеличиваться, «толщина» сжимается. Это явление можно сравнить с растяжением куска резины: когда вы тянете материал, он утончается.

Энергия волны сжатия рассеивается по мере ее расширения и увеличения радиуса. В конце концов полусферическая волна становится настолько большой и «тонкой», что ее больше не слышно людям, и вскоре после этого энергия полностью поглощается атмосферой.

В основном: энергия взрыва, которая создает звук, передается все большему количеству молекул воздуха по мере расширения волны. Волна не столько размазывается, сколько истончается.

Надеюсь, это имеет смысл и помогает!