震波
震波（英語：Shock Wave），又譯作衝擊波、駭波或震波，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，震波可以通過場，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
[編輯]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
[編輯]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和壓力。這種現象在地球大氣層很難見到，但存在於太陽的色球和日冕中。
震波的模擬
[編輯]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
[編輯]震波有如下幾種類型：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 爆炸波
參看
[編輯]外部連結
[編輯]
- Photo Gallery （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- eFluids gallery （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- NACA 1135: Equations, Tables, and Charts for Compressible Flow （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Bomb Shock Wave Estimation （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- NASA Glenn Research Center information on:
- Selkirk college: Aviation intranet: High speed (supersonic) flight
