為什麼聲速在氣體、液體、固體中依次變快？

01-05

之前我自己的解釋一直是，由於分子之間距離不同導致傳播的難易。
但是今天和同事討論這個問題時，同事提出異議：無論傳播難易，傳播總是存在，這貌似只可能影響傳播的空間範圍。而傳播速度應該是分子定向振動的速度，但這個速度應該是氣體更快，或者可能與物態沒有關係。
我啞然了，今天再網上搜索了一下也沒有找到能說服自己的解釋。

第一次的提問就獻給這個難題了，求各位達人幫忙啦，感激不盡！

聲音在介質中的傳播依靠的是介質中粒子的碰撞，當碰撞的方向越容易與聲波傳播方向一致時，速度就越快。在氣體液體固體中，這粒子一般是分子或者原子（在後面為了方便統稱分子）。氣體液體固體三種物態，最基本的區別是分子的平均自由程，或者說被束縛的程度不同，也可以說是平均間距不同。氣體中的分子無規則運動的自由程大，就是說在下一次碰撞之前跑的距離遠，也就是等待下一次碰撞的時間長，這樣機械波的傳播自然耗費更長的時間。而液體的平均自由程要小得多，分子只被固定在某一個小的區域進行振動，下一次碰撞所需的時間短，如此機械波傳播的速度就快一些。固體比液體的平均自由程更小，所以傳播更快。

所以說從宏觀上來看，一般的按照密度而言，固體&>液體&>氣體，所以會出現這種情況。但也不是絕對的，故以密度來區分聲速並不是十分正確，例如水和冰。但眾所周知冰的密度比水小。

經過實驗我們已經知道，溫度對聲速的傳播也有很大貢獻，一般同種介質溫度升高聲速變快，當然這可以用溫度升高，分子振動速度加快來解釋。除此之外還有材料的問題，形狀、摻雜等都能改變其傳播聲音的速度。

所以聲音傳播的速度，和介質中的分子之間相互作用有很大的關係，如果介質中分子相互作用很強，那麼傳播的速度就比較快，相反的，如果比較弱，即便密度比較大，聲音傳播的速度也不會很高。（例如鐵和鉛）

在氣體和液體中，聲波只能以縱波傳遞，聲速公式是c=√(k/ρ)

在固體中，分為縱波和橫波，兩者的速度也不一樣，縱波聲速c=√(E/ρ)，橫波聲速c=√(G/ρ)

k為體積模量，E為彈性模量，G為剪切模量，為方便統稱模量

ρ是介質密度

說聲速固大於液大於氣是不完全對的，非同種物質的話很可能不滿足。

從公式上看，密度對聲速是起到反作用的，但前提是模量相同。

一般固體的彈性模量會比氣體大5~6個數量級，但密度只相差3~4個數量級，相除開根號之後，大約固體聲速會比氣體聲速高一個數量級（10倍）左右。也就是大密度的物質，模量往往會高出更多，抵消了密度的影響，看起來就好像「密度越大，聲速越大」。不過各種物質的密度和模量沒有必然聯繫（否則計算公式就可以進一步簡化了）。

另外，聲波傳遞是受迫振動，並不是介質熱運動越快就傳播越快。氣體熱運動更快，但是無法把振動狀態很好的傳遞給鄰近的分子。聲速本質上還是要看振動狀態的傳遞速度，而不是分子本身的運動速度。這也是為什麼不同頻率不同強度的聲波具有相同的聲速，而不是你喊越大聲（振動幅度大）、音調越高（振動頻率高）聲速就越快。

可能會有不嚴謹的地方，僅供參考

聲速的快慢跟介質的不可壓縮率（體積模量）和密度都有關係，準確來說其平方與可壓縮率成正比，與密度成反比。氣體由於不可壓縮率非常小，因此雖然密度很小，但是聲速還是很小，固體的不可壓縮率很大，因此聲速非常大。

如果彈性夠大，密度夠小的話，聲速可以很快的。天體物理中有很多極大的聲速，有些跟光速同數量級，比如在中子星中，聲速甚至可以接近光速。以前為了解釋光，有很多人採用了以太這種物質，認為光的速度就是以太中的」聲速"，以太的特點就是彈性極大，密度極小，這樣才能產生光速這麼大的速度。

音速，指聲波在介質中的傳播速度，通常用符號c表示。從本質上講,聲速是介質中微弱壓強擾動的傳播速度，計算公式為：c=sqrt(K/ρ)

式中ρ為介質的密度；K=dp/(dρ/ρ),稱為體積彈性模量，dp、dρ分別為壓強和密度的微小變化。對於液體和固體，K和ρ隨溫度和壓強的變化很小,主要是隨介質不同而異

http://www.hudong.com/wiki/%E5%A3%B0%E9%80%9F

簡單說，越硬越快

呃...密度高的物質在聲波傳播是的距離變少...導致傳的更快吧...我是這樣想的...

討論之前，應明確參考系，是歐拉聲速還是拉格朗日聲速，再者聲速又分為縱波/體波/橫波

介質的不同吧，就好像在太空中聲音不能傳播。。。