#006 音速の３態

ジェット機が音速を超える時に生じる衝撃波(ソニックブーム)

■１■｢音速｣とは、媒質中を伝わる音波の速度を指す物理学の用語である。空気中の音速は０℃１気圧の場合、毎秒331.5ｍである。ただし気温が１度温度が上昇するごとに毎秒0.6メートルずつ増す。音速をＣとすると<Ｃ＝(K/ρ)1/2>で表される(Kは媒質の体積弾性率,ρは媒質の密度)。15℃では340m/sとなる。

■２■音波は、物質の粒子が振動することで伝播する。音波は物質と共に進むのではなく、物質の粒子でドミノ倒し(ただし元に戻る)のように伝わる。音波は気体に限らず固体や液体を媒介して伝わる性質もあり、そのような速度も｢音速｣に該当する。水は空気の約５倍、氷は空気の約10倍の速さで音が伝わる。

｢気象･歳時･防災 サロン｣ より借用加工

■３■音速の単位は｢マッハ｣(Mach)である。マッハ１と音速は同義であり、マッハ２は音速の２倍であることを意味する。20℃の時のマッハ１は秒速340ｍ、時速1,225kmである。音速(＝マッハ１)を超えると｢超音速｣と言われる。音速を超える速度を持つ物体は、ソニックブームという音響現象を引き起こす。

■４■音速は航空機の設計や音響学、気象学など多岐にわたる分野で重要な概念だ。｢音速の壁｣とは、航空機の速度が音速を超えて超音速の域に達する際に、飛行継続を困難にする抵抗・揚力などの物理的障害のことを指す。音速を超える場合にこの障害を突破する必要があるので｢壁｣という表現になっている。

｢むがむがダイビング｣より借用加工

■５■海水中の音速の値は1513m/sである。つまり１秒で約1.5km先に伝播する。厳密には海水中の音速は水温･圧力･塩分濃度により変化する。海面近くは高水温なので音速は高く、また深海だと水圧が高いためにやはり音速は高くなる。そのため中層で音速極小層が生じ、音は２次元的に束縛されて伝播する(※1)。

■６■気体や液体は分子が結晶を形作らず自由に飛び回り衝突しており、このぶつかり合いにより音が伝わる。しかし固体は結晶を作るので構成する原子や分子同士は互いに固定されていて、振動がとなりに直ちに伝わるために桁違いに速い。地殻中の音速は５〜７km/sだがこれは地震の初期微動速度に等しい(※2)。

■７■媒質のない宇宙空間では音は伝播しないが、敢えて大気中の音速で計算すると月まで3.421日、太陽まで14.339年かかる計算になる。また敢えて地上最大の伝播力がある物質のダイヤモンドで空間を埋め尽くしたとすれば月まで38.44秒、太陽まで4.15時間。光速でも８分19秒。どれも人間的感覚ではない。

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(※1)海水中の音速　ｃ＝1499.22＋4.623Ｔ−0.0546Ｐ＋1.391(Ｓ−35.0)
　　　ただしｃは音速(m/s),Ｔは水温(℃),Ｐは圧力(kg cm?2),Ｓは塩分(psu)
(※2)最高硬度を誇る固体であるダイヤモンドを伝わる音は秒速1万m以上で、常温常圧での音速の最高速度である。

rewitten on 20240214 Wednesday