震波

更新时间:2021-01-30 08:38

地震时所发生的现象。震波属于紊流的一种传播形式。如同其他通常形式下的波动,震波也可以通过介质传输能量。在某些不存在物理介质的特殊情况下,震波可以通过场,如电磁场来传输能量。

简义

冲击波,震波

英译

shock wave

详义

震波的主要特点表现为介质特性(如压力、温度、或速度)在震波前后发生了一个像正的阶梯函数般的突然变化。与此相应的负的阶跃则为膨胀波。声学震波其速度一般高于通常波速(在空气中即音速)。

不像孤波(另一种形式的非线性波),震波随距离的增加耗散很快。而且,膨胀波总是伴随着震波,并最终与震波合并。这部分抵消了震波的影响。声爆,一种超音速飞机通过时产生的声学现象,即是由震波--膨胀波对的耗散和湮灭所产生的。

成因

超音速流动中的震波

震波是气体超音速流动时产生的压缩现象之一。其他两种形式是等熵流动和普朗特--麦耶流动。对于给定的压强比,不同的压缩方式将产生不同的温度和密度,其结果对于不发生化学反应的气体是可以解析计算的。震波会导致总压的损失。这意味着在某些情形下(例如超音速冲压喷射装置的进气口),震波是无效率的。超音速飞机的压阻就主要是由于震波导致的。

当物体(或扰动)的运动比其周围的流体传播扰动信息的速度还要快时,靠近扰动的流体在扰动到来之前就不能及时作出反应或者“让路”。在震波中,流体的各种性质(密度、温度、压力、速度、马赫数)总是瞬时变化的。震波的厚度在数量级上同该气体的分子自由程相当。当气体运动速度大于其声速时,震波就形成了。在流动的某些区域,气体的扰动不能再向上游传播,压力快速积聚起来,高压震波就迅速形成了。

震波不同于通常的声波。在大约为几个分子自由程的厚度(大气中大概为几微米)内,在震波前后气体的性质会发生剧烈变化。在空气中,震波发出很大的爆裂声或者噼啪的噪音。随着距离增加,震波逐渐从非线性波变为线性波,退化成通常的声波。这是由于震波中的空气逐渐丧失能量所致。这种声波跟通常的雷声,即“音爆”听起来很像,一般是由超音速飞机制造的。

非线性峭化产生的震波

震波也可由普通波锐化而形成。最著名的例子就是深海微波逼近陆地时形成的海啸了。在浅水区,表面波的速度依赖于水深。对于迎面而来的海浪,由于浪高和水深相比要小的多,所以波峰速度要略大于波谷的速度。就这样波峰赶上了波谷,直至形成一面巨大的水墙,然后轰然倒塌,形成海啸,以声音和热的的方式将其中的能量释放出来。

同样的现象出现在气体和电浆中的强声波,这是由于音速依赖于温度和压力。这种现象在地球大气层很难见到,但存在于太阳的色球和日冕中。

模拟

震波也可以描述为能够“感知”下游物体运动的上游最远点。在这种描述中,震波的位置定义为扰动可感区和扰动盲区的边界。这可以和广义相对论中的光锥相类比。

要得到震波,必须得有快于声速的运动。由于放大效应,震波是非常强烈的,特别像你所听说过的爆炸(这不意外,应该爆炸产生震波)。

类比现象已超出流体力学的范畴。例如,当介质中的物体运动速度大于该介质中光速时(此时其速度仍小于真空中光速),折射就会产生可见的震波现象,即切伦科夫辐射。

类型

震波有如下几种类型:

4.1 在定常流中传播的震波

这种震波通常产生于具有压差的气体界面。此时,震波传入低压气体,膨胀波传入高压气体。

例子:气球爆炸,震波管,爆炸震波等。

在这种情况下,震波前气体一般是静止的,而震波后的气体则以超音速运动。震波通常属于来流。震波的速度取决于两种气体的压力比。

4.2 管道流动中的震波

当管道中的超音速流减速时产生这种震波。

例子:超音速喷气引擎,超音速冲压喷射装置,针形阀等。

此种情形下,波前气体为超音速,而波后气体或者是超音速(斜震波)或者是亚音速(正震波)。该种震波或者产生于气体在收敛的管道中减速时,或者由于平直管道中附面层的增长而致。

跨音速物体产生的再压缩震波

当跨音速流动减速为亚音速时产生这种震波。

例子: 跨音速机翼,管道。

原理省略。

4.3 超音速物体的附体震波

这种震波以“附着”的形式出现在超音速运动的尖锐物体的顶端。

例子:超音速运动的楔形物体或锥形物体

原理略。

4.4超音速物体的脱体震波

当超音速运动的物体顶端很钝时出现这种震波。

例子:太空返回舱(阿波罗飞船,太空梭),子弹,磁气圈附面层

原理略

4.5 爆炸波

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