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震波

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震波(英語:Shock Wave),又譯作衝擊波駭波震波,屬於紊流的一種傳播形式。如同其他通常形式下的波動,震波也可以通過介質傳輸能量。在某些不存在物理介質的特殊情況下,震波可以通過,如電磁場來傳輸能量。震波的主要特點表現為介質特性(如壓力、溫度、或速度)在震波前後發生了一個像正的階梯函數般的突然變化。與此相應的負的階躍則為膨脹波。聲學震波其速度一般高於通常波速(在空氣中即音速)。

震波隨距離的增加耗散很快,與孤波(另一種形式的非線性波)不同。而且,膨脹波總是伴隨着震波,並最終與震波合併。這部分抵消了震波的影響。聲爆,一種超音速飛機通過時產生的聲學現象,即是由震波——膨脹波對震波的耗散和湮滅所產生的。

超音速流動中的震波

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震波是氣體超音速流動時產生的壓縮現象之一。其他兩種形式是等熵流動和普朗特-麥耶流動。對於給定的壓強比,不同的壓縮方式將產生不同的溫度和密度,其結果對於不發生化學反應的氣體是可以解析計算的。震波會導致總壓的損失。這意味着在某些情形下(例如超音速衝壓噴射裝置的進氣口),震波是無效率的。超音速飛機的壓阻就主要是由於震波導致的。

當物體(或擾動)的運動比其周圍的流體傳播擾動資訊的速度還要快時,靠近擾動的流體在擾動到來之前就不能及時作出反應或者「讓路」。在震波中,流體的各種性質(密度溫度壓力速度馬赫數)總是瞬時變化的。震波的厚度在數量級上同該氣體的分子自由程相當。當氣體運動速度大於其聲速時,震波就形成了。在流動的某些區域,氣體的擾動不能再向上游傳播,壓力快速積聚起來,高壓震波就迅速形成了。

然而,震波不同於通常的聲波。在大約為幾個分子自由程的厚度(大氣中大概為幾微米)內,在震波前後氣體的性質會發生劇烈變化。在空氣中,震波發出很大的爆裂聲或者噼啪的噪音。隨着距離增加,震波逐漸從非線性波變為線性波,退化成通常的聲波。這是由於震波中的空氣逐漸喪失能量所致。這種聲波跟通常的雷聲,即「音爆」聽起來很像,一般是由超音速飛機製造的。

非線性峭化產生的震波

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震波也可由普通波銳化而形成。最著名的例子就是深海微波逼近陸地時形成的海嘯了。由於海嘯的波長很長,長達數公里,即使在大洋中傳播,依然可以認為是在淺水區。此時表面波的速度依賴於水深。接近岸時,水深驟減,導致波速大幅度下降,於是形成一面巨大的水牆,然後轟然倒塌,形成海嘯,以聲音和熱的的方式將其中的能量釋放出來。

同樣的現象出現在氣體和等離子中的強聲波,這是由於音速依賴於溫度壓力。這種現象在地球大氣層很難見到,但存在於太陽的色球日冕中。

震波的模擬

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震波也可以描述為能夠「感知」下游物體運動的上游最遠點。在這種描述中,震波的位置定義為擾動可感區和擾動盲區的邊界。這可以和廣義相對論中的光錐相類比。

要得到震波,必須得有快於聲速的運動。由於放大效應,震波是非常強烈的。

類比現象已超出流體力學的範疇。例如,當介質中的物體運動速度大於該介質中光速時(此時其速度仍小於真空中光速),折射就會產生可見的震波現象,即切倫科夫輻射

震波的類型

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震波有如下幾種類型:

  1. 在定常流中傳播的震波
    • 這種震波通常產生於具有壓差的氣體界面。此時,震波傳入低壓氣體,膨脹波傳入高壓氣體。
    • 例子:氣球爆炸,震波管,爆炸震波等。
    • 在這種情況下,震波前氣體一般是靜止的,而震波後的氣體則以超音速運動。震波通常屬於紊流。震波的速度取決於兩種氣體的壓力比。
  2. 管道流動中的震波
    • 當管道中的超音速流減速時產生這種震波。
    • 例子:超音速噴氣引擎,超音速衝壓噴射裝置,針形閥等。
    • 此種情形下,波前氣體為超音速,而波後氣體或者是超音速(斜震波)或者是亞音速(正震波)。該種震波或者產生於氣體在收斂的管道中減速時,或者由於平直管道中附面層的增長而致。
  3. 跨音速物體產生的再壓縮震波
    • 當跨音速流動減速為亞音速時產生這種震波。
    • 例子: 跨音速機翼,管道。
    • 原理省略。
  4. 超音速物體的附體震波
    • 這種震波以「附着」的形式出現在超音速運動的尖銳物體的頂端。
    • 例子:超音速運動的楔形物體或錐形物體
    • 原理略。
  5. 超音速物體的脫體震波
    • 當超音速運動的物體頂端很鈍時出現這種震波。
    • 例子:太空返回艙(阿波羅飛船,穿梭機),子彈,磁氣圈附面層
    • 原理略
  6. 爆炸波

參看

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外部連結

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