水中會發生類似於空氣中的音爆的現象嗎? | 知乎問答精選

 

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水中會發生類似於空氣中的音爆的現象嗎?

2019年07月27日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 5 ℃ 次

【章佳傑的回答(16票)】:

實在忍不住了,拋個磚先~

就問題而言,答案是「會」

下面展開說說...

首先澄清幾個概念:什麼是音爆?什麼是音障

上面@胡鞍鋼的答案裡提到的 Quara 上的回答也給出了一些解釋,當然 wiki 上解釋得更清楚了:

音爆(Sonic boom)

A sonic boom is the sound associated with the shock waves created by an object traveling through the air faster than the speed of sound

當物體運動快於介質中的聲速的時候,將會產生激波(Shock Waves),而這個激波被人聽到的時候類似爆炸聲,被稱為音爆。wiki 上有一張 gif 動態圖,很清楚地顯示了這一點。

音障(Sound barrier)

The sound barrier, in aerodynamics, is the point at which an object moves from transonic to supersonic speed.

事實上,當物體在介質中運動從亞音速到超音速的過程中,在跨越音速的時候,空氣動力特性會有一系列的劇烈的變化,在二戰以前的飛行器上是難以克服這種變化帶來的困難的,就像「障礙」一樣阻礙了飛行器跨越音速,於是大家稱之為「音障」

說到底,都是激波(Shock Waves)帶來的一系列影響

上圖來自 wiki (Sound barrier)

左圖是亞音速場景,中間是恰好跨音速的場景,右圖是超音速場景。

一個物體在空氣中運動,就會對周圍的空氣有擾動,而這個擾動就以縱波的形式在介質(空氣)裡傳播出去(我們知道介質中縱波的傳播速度就是介質中的聲速),從上面的示意圖左圖很容易看出,在物體運動方向的前方,縱波的波長要小於物體運動後方的波長,這就是著名的多普勒效應。但如果物體運動速度達到聲速了,那麼物體前方的擾動將來不及傳播開去,從而在物體前方「堆積」起來,形成了激波(上面圖中的4)。在這一點上,介質被「堆積」得很厲害,以至於很多物理性質都有激變。而當物體運動速度超過聲速之後,這些擾動都被物體「甩在身後」,他們的波前形成了一個圓錐面,這就是「馬赫錐」,也是激波的波前。在跨越這個面的時候,介質的物理狀態有劇烈的變化。而當這個面傳播到人耳中,我們就聽到了爆炸一般的聲響:音爆。可以參看 wiki(Sonic boom)上那個 gif 圖,非常形象(知乎似乎不支持動態 gif ?)。

上面@王蔚傑的答案說得挺對的,這些都是激波帶來的。

好,回到問題,@飛鳥冰河的答案裡說了很多如何把速度提高到音速的技術細節,撇開這些因素不說,如果能夠超音速,水中會不會有音爆呢?顯然,毫無疑問,物體在水中運動也會產生激波,而當這個激波被人聽到也一樣會有爆炸一樣的感覺(不過估計會被震暈吧)。

另外稍稍岔開去說一說,在水的內部當然只有縱波,但是在水的表面還存在平時我們見到的「水波」,嚴格說來這既不是縱波也不是橫波,而是比較複雜的「表面波」。表面波的波速一般在零點幾到幾米每秒的數量級,那麼對於在水面運動的物體(比如船),其速度很容易超過表面波的波速,從而在水面激起激波。這就是大家都很熟悉的場景了,這種激波被稱為「艏波」(Bow wave)

這就是水表面的激波。看看這張圖是不是和上面的某圖很像?當我們在岸邊看到船隻駛過蕩起的水波的時候,其實就是看到了水面的「音爆」喲~

另外,@胡鞍鋼 的回答裡提到的切連科夫輻射,是粒子運動得比介質中的光速更快,而產生的電磁激波,這個激波傳播到我們眼中,就是一片藍色輝光。

所以,總結起來一句話,都是激波搞的鬼,只要物體運動得快於介質中的波速,就一定會產生激波(機械擾動以聲速傳播,電磁擾動以光速傳播)。若物體運動速度超過了水中的音速,那也同樣會有「音爆」產生(我們能不能聽到就另說了,物體能不能達到這個速度也另說吧……)

【胡鞍鋼的回答(3票)】:

這個東西我不清楚,不過 Quora 上有答案,英語好的可以看看:

Physics: Is it possible for the sound barrier to be broken underwater?

我看了一下那最高的答案,好像也沒什麼內容,澄清了一些概念而已。

水中音速比空氣中快,且阻力更大,所以很大的物體突破音障估計不容易。

(另外水中是否存在音障,我還有疑問,至少要達到水中音速的 80-90% 才能討論會不會有音障這種現象吧。)

說到這個,順便說一下,對於粒子,突破水中的光速都有可能(注意:不能突破的是真空中的光速),帶電粒子超過介質中的光速的時候,會發出輝光,即切連科夫輻射。核電站中水裡的藍光就是這種。

【王蔚傑的回答(0票)】:

類似音爆的實質是物體運動的比介質相對運動快,形成激波。所以這樣說的話水中更容易產生激波,

標籤:-自然科學 -物理學 -相對論 -白首川


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