Công cụ này làm gì
Công cụ này cho biết tốc độ âm thanh trong nước tinh khiết (nước cất) ở áp suất khí quyển theo nhiệt độ. Hãy nhập một nhiệt độ trong khoảng 0 °C đến 95 °C (32–203 °F) và công cụ sẽ trả về tốc độ âm thanh tính bằng mét trên giây, kèm theo các giá trị quy đổi sang kilômét trên giờ, foot trên giây và dặm trên giờ.
Phép tính sử dụng đa thức bậc năm do W. Marczak công bố năm 1997 trên tạp chí Journal of the Acoustical Society of America, một công thức tham chiếu được dùng rộng rãi và khớp với các phép đo thực nghiệm có độ chính xác cao về tốc độ âm thanh trong nước tinh khiết. Trong phạm vi hợp lệ được nêu là 0–95 °C, nó khớp với dữ liệu thực nghiệm với sai số nhỏ hơn nhiều so với 0.1 m/s. Để tham khảo, âm thanh truyền với tốc độ khoảng 1,482.4 m/s trong nước ở 20 °C và khoảng 1,496.7 m/s ở 25 °C.
Cách sử dụng
- Nhập nhiệt độ của nước vào ô đầu tiên.
- Chọn đơn vị nhiệt độ: Celsius (°C) hoặc Fahrenheit (°F). Giá trị Fahrenheit sẽ được đổi sang Celsius trước khi áp dụng công thức.
- Nhấn Tính. Kết quả chính là tốc độ âm thanh tính bằng mét trên giây; bảng bên dưới hiển thị cùng tốc độ đó theo km/h, ft/s và mph.
Hãy lưu ý các giả định: công thức này áp dụng cho nước tinh khiết ở áp suất khí quyển. Nó không đúng với nước biển (độ mặn làm tăng tốc độ âm thanh) hay điều kiện nước sâu nơi áp suất có ảnh hưởng, và nhiệt độ phải nằm trong khoảng 0–95 °C.
Giải thích công thức
Công cụ tính giá trị của đa thức bậc năm Marczak (1997), trong đó c là tốc độ âm thanh tính bằng m/s và T là nhiệt độ của nước tính bằng °C:
$$c(T) = 1402.385 + 5.038813\,T - 5.799136 \times 10^{-2}\,T^{2} + 3.287156 \times 10^{-4}\,T^{3} - 1.398845 \times 10^{-6}\,T^{4} + 2.787860 \times 10^{-9}\,T^{5}$$Nguồn: W. Marczak, “Water as a standard in the measurements of speed of sound in liquids”, Journal of the Acoustical Society of America, 102(5), 2776–2779 (1997). Phạm vi hợp lệ: 0 ≤ T ≤ 95 °C ở áp suất khí quyển.
Đường cong không đơn điệu: tốc độ tăng từ khoảng 1,402.4 m/s ở 0 °C, đạt cực đại khoảng 1,555 m/s gần 74 °C, rồi giảm nhẹ khi nhiệt độ tiến gần 95 °C.
Ví dụ minh họa
Tốc độ âm thanh trong nước tinh khiết ở 25 °C là bao nhiêu? Thay T = 25 vào đa thức, tính từng số hạng:
- Số hạng hằng số: 1402.385
- 5.038813 × 25 = +125.970325
- 5.799136 × 10−2 × 25² = 0.05799136 × 625 = −36.244600
- 3.287156 × 10−4 × 25³ = 0.0003287156 × 15,625 = +5.136181
- 1.398845 × 10−6 × 25⁴ = 0.000001398845 × 390,625 = −0.546424
- 2.787860 × 10−9 × 25⁵ = 0.00000000278786 × 9,765,625 = +0.027225
Vậy ở 25 °C, âm thanh truyền qua nước tinh khiết với tốc độ khoảng 1,496.73 m/s — tương đương khoảng 5,388 km/h hay 3,348 mph.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao âm thanh truyền trong nước nhanh hơn trong không khí? Tốc độ âm thanh trong một chất lưu bằng căn bậc hai của mô đun khối chia cho khối lượng riêng. Nước ít bị nén hơn nhiều so với không khí, và độ cứng đó lấn át khối lượng riêng lớn hơn của nó, nên âm thanh truyền trong nước nhanh gấp khoảng 4.3 lần — khoảng 1,482 m/s so với khoảng 343 m/s trong không khí ở 20 °C.
Tốc độ âm thanh trong nước có luôn tăng theo nhiệt độ không? Không. Khác thường so với các chất lỏng khác, nó tăng từ khoảng 1,402.4 m/s ở 0 °C lên cực đại khoảng 1,555 m/s gần 74 °C, rồi giảm chậm khi nước nóng hơn. Công cụ này tái hiện được hành vi không đơn điệu đó vì nó dùng đa thức bậc năm đầy đủ thay vì một xấp xỉ tuyến tính.
Tôi có thể dùng công cụ này cho nước biển không? Không. Độ mặn làm tăng tốc độ âm thanh khoảng 1.3 m/s cho mỗi đơn vị độ mặn thực hành, và áp suất còn làm tăng thêm theo độ sâu, nên tốc độ âm thanh trong đại dương thường cao hơn vài chục mét trên giây so với nước tinh khiết. Với nước biển, nên dùng các công thức chuyên dụng như Mackenzie (1981) hoặc phương trình Chen–Millero (UNESCO).
