這個計算器的功能
空氣中的音速幾乎完全取決於溫度。本計算器運用理想氣體關係式 \(a = \sqrt{\gamma R T}\),計算聲波在指定溫度下於空氣中傳播的速度,並同時以每秒公尺(m/s)、每小時公里(km/h)與每小時英里(mph)三種單位呈現結果。無論是物理科系的學生、音響愛好者,或是需要估算聲速條件的工程師,都能派上用場。
使用方法
輸入以攝氏度(°C)為單位的空氣溫度即可。預設的絕熱指數 \(\gamma = 1.4\) 與比氣體常數 \(R = 287.05 \ \text{J/kg}\cdot\text{K}\) 代表的是乾燥空氣,因此大多數情況下保持這兩個數值不變即可。按下計算按鈕,就能得到對應的音速。若您要模擬其他氣體或潮濕空氣,則可自行調整 \(\gamma\) 與 \(R\)。
公式解析
將空氣視為理想氣體時,聲音會以絕熱壓縮波的形式傳播。波速為
$$a = \sqrt{\gamma R T}$$其中 \(\gamma\) 為比熱比,\(R\) 為該氣體的比氣體常數,\(T\) 則是以凱氏溫度(K)表示的絕對溫度。由於溫度位於平方根之下,音速會隨著空氣升溫而緩緩上升——在常溫附近,大約每升高 1 °C 增加 0.6 m/s。
實例演算
在 20 °C 時,\(T = 20 + 273.15 = 293.15 \ \text{K}\)。代入 \(\gamma = 1.4\) 與 \(R = 287.05 \ \text{J/kg}\cdot\text{K}\):
$$a = \sqrt{1.4 \times 287.05 \times 293.15} = \sqrt{117{,}808} \approx 343.23 \ \text{m/s}$$正是我們所熟悉的常溫音速數值。
常見問題
為什麼聲音在溫暖的空氣中傳播得比較快?溫度較高時,空氣分子運動得更快,能更迅速地傳遞壓力擾動,因此波速會隨溫度升高而增加。
壓力會影響音速嗎?對理想氣體而言,不會——壓力會在方程式中相互抵消。真正起作用的只有溫度(以及透過 \(\gamma\) 與 \(R\) 反映的氣體組成)。
空氣應該採用哪些數值?標準條件下的乾燥空氣:\(\gamma \approx 1.4\)、\(R \approx 287.05 \ \text{J/kg}\cdot\text{K}\)。潮濕空氣會讓音速略微加快。