机械波的形成与扰动密不可分

1.波

从物理本质上,人们往往将波分为两大类。一类是电磁波,如无线电台及电视台发出的电磁波、太阳辐射出的光波等;另一类为机械力学波,如说话时发出的声波、石子投入水中形成的水波、地震时出现的地震波、爆炸在空气中形成的冲击波等。

机械波的形成是与扰动分不开的。如人说话时声带振动给空气以扰动,形成一种气体疏密相间的状态由近及远地传播出去,造成声波的传播。爆炸时所形成的高压高温气体产物急骤膨胀对周围介质冲击压缩,从而形成了爆炸冲击波。可见,扰动就是在受到外界作用(振动、冲击等)时介质的局部状态变化。而波就是扰动的传播,换言之,介质局部状态变化的传播称为波。介质就是可以传播扰动的物质。按波的传播方向与波所到之处引起的介质运动方向的不同,波可分为横波与纵波两类,横波是指介质因扰动而引起的运动速度改变、方向与传播方向垂直的波,如地震横波;纵波是指介质因扰动而引起的运动速度改变、方向与传播方向平行的波,如声波、空气中传播的冲击波。

如图2.1所示,在初始时刻,管子左侧的活塞尚未运动,当活塞突然向右移动,与活塞右端紧贴着的一薄层空气受到扰动,便立即由近及远地传播出去。在扰动或波传播过程中,总存在着已扰动与未受扰动区的分界面,此分界面称为波阵面。这一薄层空气受到推压,压力升高,密度增大,随后这层已受压缩的气体又压缩其邻接的一层气体并使其压力也升高。这样,压力有所升高的这种压缩便逐层传播出去,形成了压缩扰动的传播。

图2.1　波的传播

(a)t=0时刻;(b)t=t1时刻

波在介质中的传播速度,即波阵面相对未扰动介质的运动速度称为波速,它以单位时间内波阵面沿介质移动的距离来度量。波的传播速度不可与受扰动介质质点运动混淆。例如,声带扰动形成声波,它在空气中以声速传到耳膜,但不是声带附近的空气质点也移动到耳膜处。

2.声波

声波是机械波,频率低于20 Hz的称为次声波,20～20 000 Hz的为可闻声波(简称声波),频率高于20 000 Hz的称为超声波。(www.xing528.com)

声波属于弱扰动传播,这种弱扰动相对未扰动介质的传播速度即为声速,以c表示。

3.压缩波与稀疏波

如图2.1所示,介质质点因扰动而引起的运动增速方向与波的传播方向相同的波称为压缩波。经由压缩波作用后,压力、密度、温度等部分状态参数增加,介质质点所获得的流动速度增加方向与波的传播方向相同。

介质质点因扰动而引起的运动增速方向与波的传播方向相反的波称为稀疏波。经由稀疏波作用后,扰动过后,压力、密度、温度等部分状态参数下降。如图2.2所示,管中有高压静止气体,当活塞突然向左抽动,在活塞表面与高压气体之间就会形成低压(稀疏)状态,这种低压状态便逐层地向右扩展,此即为稀疏波的传播现象。稀疏波波阵面传到哪里,哪里的压力便开始降低,密度开始变疏。由于波前面为原有的高压状态,波后为低压状态,高压区的气体必然要向低压区膨胀,气体质点便依次向左飞散。因此,稀疏波的传播过程总是伴随着气体的膨胀运动,故稀疏波又称为膨胀波。

图2.2　稀疏波

4.冲击波

冲击波是一种强烈的压缩波,其波阵面通过前后介质的参数变化不是微小量,而是一种有限量的跳跃变化。冲击波是一种状态突变的传播。

冲击波可以用多种方法产生。例如,爆炸时,高压、高密度的产物高速膨胀,压缩周围介质,从而在其中形成冲击波的传播;飞机及导弹在超声速飞行时会在空气中形成冲击波等。

冲击波与弱扰动波传播具有如下特点:波阵面通过前后介质时是突跃变化的;传播过程是绝热的,但不等熵;传播速度相对于未扰动介质是超声速的;传过介质后获得了一个与传播方向相同的流动速度;传播速度相对于波阵面后已受扰动的介质是亚声速,即冲击波对已扰动介质的后续影响属于弱扰动。