เครื่องคำนวณความเร็วเสียง

เครื่องคำนวณความเร็วเสียง ช่วยให้คุณทราบว่าเสียงเดินทางได้เร็วเพียงใดผ่าน อากาศในทุกระดับอุณหภูมิ — พร้อมตัวเลือกการแก้ไขความชื้นเพิ่มเติม — หรือผ่านตัวกลางอื่นๆ อีกหลายสิบชนิด เช่น น้ำ เหล็ก ฮีเลียม และเพชร โดยจะรายงานผลลัพธ์ในหน่วย m/s, km/h, mph, ft/s และ knots แสดงความเร็วของกำแพงเสียง Mach 1 ระยะเวลาที่เสียงใช้ในการเดินทางข้ามระยะทางต่างๆ และวิธีคำนวณเพื่อคาดคะเนว่าฟ้าผ่าอยู่ไกลจากจุดที่คุณอยู่เพียงใด

ความเร็วเสียงคืออะไร?

ความเร็วเสียง คือความเร็วของคลื่นความดัน — ซึ่งเป็นการสั่นสะเทือนที่ส่งต่อกันจากโมเลกุลสู่โมเลกุล — ในการเดินทางผ่านวัสดุหรือตัวกลาง ในอากาศแห้งที่อุณหภูมิ 20 °C (68 °F) ความเร็วเสียงจะอยู่ที่ประมาณ 343 m/s (1,235 km/h หรือ 767 mph) เสียงจำเป็นต้องมีตัวกลางในการเดินทาง ดังนั้นมันจึงไม่สามารถเดินทางผ่านสูญญากาศได้เหมือนกับแสง โดยเสียงจะเคลื่อนที่ได้เร็วที่สุดในของแข็งที่มีความหนาแน่นและแข็งเกร็ง และจะเคลื่อนที่ได้ช้าที่สุดในแก๊ส

สูตรคำนวณความเร็วเสียงในอากาศ

ในอากาศ ความเร็วเสียงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเกือบทั้งหมด ความสัมพันธ์แบบอะเดียแบติกที่แม่นยำคือ:

โดยที่ c คือความเร็วเสียงในหน่วยเมตรต่อวินาที และ T คืออุณหภูมิของอากาศในหน่วยองศาเซลเซียส ซึ่งมาจากความสัมพันธ์ทางฟิสิกส์ \( c = \sqrt{\gamma R T / M} \) โดยที่ \( \gamma \) คือดัชนีอะเดียแบติกของอากาศ (ประมาณ 1.4), \( R \) คือค่าคงตัวของแก๊ส, \( T \) คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวิน และ \( M \) คือมวลโมลาร์ของอากาศ ค่าประมาณเชิงเส้นที่สะดวกและนิยมใช้ใกล้เคียงอุณหภูมิห้องคือ \( c \approx 331.3 + 0.606\,T \)

อากาศชื้นจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศแห้งเล็กน้อย เสียงจึงเดินทางได้เร็วกว่าในอากาศชื้นเล็กน้อย การแก้ไขด้านบน (โดย RH คือความชื้นสัมพัทธ์ในหน่วยเปอร์เซ็นต์) จะเพิ่มความเร็วขึ้นอย่างมากที่สุดประมาณ 1.2 m/s ที่ความชื้น 100% ซึ่งแม้จะส่งผลเพียงเล็กน้อยแต่ก็ได้รวมไว้ในเครื่องมือนี้เพื่อความครบถ้วนของข้อมูล

อุณหภูมิมีผลต่อความเร็วเสียงหรือไม่?

ใช่ — ในอากาศ อุณหภูมิถือเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลมากที่สุด โมเลกุลของอากาศที่อุ่นกว่าจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าและชนกันบ่อยขึ้น ทำให้ส่งผ่านคลื่นเสียงได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ความเร็วจะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.6 m/s ต่อทุกๆ 1 °C ที่เพิ่มขึ้น นี่คือเหตุผลที่เสียงเดินทางแตกต่างกันในบ่ายที่ร้อนจัดกับคืนที่หนาวเย็น และเป็นเหตุผลว่าทำไมความเร็ว Mach 1 ของเครื่องบินเจ็ทที่บินสูงในชั้นบรรยากาศชั้นบนที่หนาวเย็นจึงช้ากว่าตอนบินใกล้พื้นดินที่อบอุ่น ส่วนความดันอากาศและระดับความสูงโดยตัวของมันเองแทบไม่มีผลกระทบโดยตรง เนื่องจากอิทธิพลที่มีต่อความหนาแน่นและความแข็งเกร็งนั้นหักล้างกันไปเกือบหมด

ความเร็วเสียงในตัวกลางที่แตกต่างกัน

เสียงเดินทางในของเหลวและของแข็งได้เร็วกว่าในแก๊สมาก เนื่องจากโมเลกุลอยู่ชิดกันและยึดเกาะกันอย่างหนาแน่น ทำให้ส่งผ่านแรงสั่นสะเทือนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตารางด้านล่างแสดงค่าทั่วไปภายใต้สภาวะมาตรฐาน

ทำไมแก๊สฮีเลียมถึงทำให้เสียงของคุณแหลมเล็ก?

เสียงเดินทางในแก๊สฮีเลียมได้เร็วกว่าในอากาศเกือบสามเท่า (ประมาณ 1,007 m/s) เนื่องจากฮีเลียมมีน้ำหนักเบากว่าแก๊สไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศมาก ทางเดินเสียงและกล่องเสียงของคุณจะเกิดการพ้องเสียงที่ความถี่สูงขึ้นเมื่อเต็มไปด้วยแก๊สที่เคลื่อนที่เร็วและเบานี้ ส่งผลให้ระดับเสียงของคุณเปลี่ยนสูงขึ้นกลายเป็นเสียงแหลมเหมือนตัวการ์ตูนชิปมังก์ (การสูดดมแก๊สฮีเลียมนั้นไม่ปลอดภัย เนื่องจากมันจะเข้าไปแทนที่ออกซิเจนที่คุณจำเป็นต้องใช้ในการหายใจ)

การใช้ความเร็วเสียงในการวัดระยะทาง

เนื่องจากแสงเดินทางมาถึงคุณแทบจะในทันทีแต่เสียงจะเดินทางตามมาทีหลัง คุณจึงสามารถคาดคะเนระยะห่างของเหตุการณ์ได้โดยการจับเวลาที่ล่าช้า:

• ฟ้าผ่า: นับวินาทีระหว่างที่เห็นแสงวาบจนถึงตอนที่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง เสียงจะเดินทางเป็นระยะทางประมาณ 1 กม. ในทุกๆ 3 วินาที (1 ไมล์ในทุกๆ 5 วินาที) ดังนั้นให้หารวินาทีที่นับได้ด้วย 3 เพื่อแปลงเป็นกิโลเมตร หรือหารด้วย 5 เพื่อแปลงเป็นไมล์
• เสียงสะท้อนและโซนาร์: ส่งคลื่นสัญญาณ จับเวลาการเดินทางไป-กลับ แล้วคูณด้วยความเร็วเสียง เพื่อหาระยะทางสองเท่าไปยังพื้นผิวที่สะท้อนสัญญาณกลับมา

สิ่งใดส่งผลต่อความเร็วเสียงบ้าง?

วิธีใช้งานเครื่องคำนวณนี้

1. เลือกโหมด: เลือก อากาศ เพื่อคำนวณจากอุณหภูมิ หรือ ตัวกลางอื่น เพื่อค้นหาจากประเภทวัสดุ
2. กรอกเงื่อนไข: สำหรับอากาศ ให้พิมพ์อุณหภูมิและเลือกหน่วย °C, °F หรือ K และระบุความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มเติมได้ สำหรับตัวกลางอื่น ให้เลือกจากรายการที่แสดง
3. คลิก คำนวณ: เครื่องมือจะประมวลผลความเร็วเสียงให้ในทันที
4. ตรวจสอบผลลัพธ์: ดูความเร็วใน 5 หน่วยหลัก, ความเร็ว Mach 1 และตารางหน่วย Mach, เวลาที่เสียงใช้เดินทาง, กฎระยะทางฟ้าผ่า, แผนภูมิเปรียบเทียบ, เส้นโค้งการตอบสนองต่ออุณหภูมิ และการแจกแจงสูตรคำนวณทีละขั้นตอน

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ความเร็วเสียงในอากาศคือเท่าไหร่?

ในอากาศแห้งที่อุณหภูมิ 20 °C (68 °F) ความเร็วเสียงจะอยู่ที่ประมาณ 343 m/s ซึ่งคิดเป็น 1,235 km/h หรือ 767 mph ที่อุณหภูมิ 0 °C จะอยู่ที่ประมาณ 331 m/s ความเร็วจะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.6 m/s ในทุกๆ 1 องศาเซลเซียสที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ความเร็วเสียงในอากาศคำนวณอย่างไร?

ความเร็วเสียงในอากาศแห้งคือ c = 331.3 × √(1 + T / 273.15) โดยที่ T คืออุณหภูมิอากาศในหน่วยองศาเซลเซียส นี่คือสูตรอะเดียแบติกที่แม่นยำ อากาศชื้นจะเดินทางได้เร็วกว่าเล็กน้อย ดังนั้นจึงสามารถเพิ่มการแก้ไขความชื้นเพิ่มเติมได้ประมาณ 0.0124 m/s ต่อเปอร์เซ็นต์ของความชื้นสัมพัทธ์

อุณหภูมิมีผลต่อความเร็วเสียงหรือไม่?

มีผลอย่างมาก ในอากาศ ความเร็วเสียงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเกือบทั้งหมด และจะเพิ่มขึ้นเมื่ออากาศอุ่นขึ้น เนื่องจากโมเลกุลที่อุ่นกว่าจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นและส่งผ่านคลื่นความดันได้รวดเร็วยิ่งขึ้น มันจะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.6 m/s ต่อทุกๆ องศาเซลเซียส ส่วนความกดอากาศและระดับความสูงโดยลำพังแทบจะไม่มีผลกระทบโดยตรง

ทำไมความเร็วเสียงในน้ำและเหล็กถึงเร็วกว่าในอากาศ?

เสียงเดินทางได้เร็วกว่าในวัสดุที่มีความแข็งและหนาแน่นมากกว่า เนื่องจากโมเลกุลที่ยึดเกาะกันอย่างหนาแน่นสามารถส่งผ่านการสั่นสะเทือนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า โดยมีความเร็วประมาณ 1,481 m/s ในน้ำ (เร็วกว่าอากาศมากกว่าสี่เท่า) และประมาณ 5,960 m/s ในเหล็ก (เร็วกว่าอากาศประมาณสิบเจ็ดเท่า)

จะใช้ความเร็วเสียงในการหาระยะห่างของฟ้าผ่าได้อย่างไร?

นับวินาทีระหว่างที่เห็นแสงฟ้าผ่าจนถึงตอนที่ได้ยินเสียงฟ้าร้อง จากนั้นคูณด้วยความเร็วเสียง ตามหลักทั่วไป เสียงเดินทางได้ประมาณ 1 กม. ในทุกๆ 3 วินาที หรือ 1 ไมล์ในทุกๆ 5 วินาที ดังนั้นการหาระยะเวลาที่ล่าช้าเป็นวินาทีด้วย 3 จะได้ระยะทางเป็นกิโลเมตร และหารด้วย 5 จะได้ระยะทางเป็นไมล์

Mach 1 คืออะไร?

Mach 1 คือความเร็วของเสียงในตัวกลางโดยรอบ ในอากาศที่อุณหภูมิ 20 °C Mach 1 จะอยู่ที่ประมาณ 343 m/s (1,235 km/h หรือ 767 mph) เนื่องจากความเร็วของเสียงเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ Mach 1 จึงช้ากว่าเล็กน้อยในอากาศเย็นที่ระดับความสูงของชั้นบรรยากาศ และเร็วกว่าในอากาศอุ่นใกล้พื้นดิน

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

• Speed of Sound - Wikipedia
• Mach Number - Wikipedia