17.9: 冲击波
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- 描述声震和冲击波之间的区别
- 描述一把弓醒过来
在讨论移动声源和静止观察者的多普勒效应时，我们考虑的唯一案例是声源以低于声速的速度移动的情况。 回想一下，移动源接近静止观测器的观测频率为 f o = f s\(\left(\dfrac{v}{v - v_{s}}\right)\)。 当声源接近声速时，观测到的频率就会增加。 根据方程，如果声源以声速移动，则分母等于零，这意味着观测到的频率是无限的。 如果声源以大于声速的速度移动，则观测到的频率为负。
这可能意味着什么？ 当声源接近声速时会发生什么？ 一些科学家曾经争辩说，如此大的压力波是声波的建设性干扰造成的，飞机不可能超过声速，因为压力足够大，足以摧毁飞机。 但是现在飞机的飞行速度通常比声速快。 1976 年 7 月 28 日，埃尔登 ·W· 乔尔斯上尉和乔治 ·T· 摩根少校以 3529.60 km/h（2193.20 英里/小时）的速度驾驶洛克希德 SR-71 Blackbird #61 -7958，即 2.85 马赫。 马赫数是声源的速度除以声速：
\[M = \frac{v_{s}}{v} \ldotp \label{17.21}\]
你会看到，当声源接近并超过声速时，就会出现有趣的现象。
多普勒效应和高速度
由接近甚至超过声速的移动源（例如喷气式飞机）发出的声音会怎样？ 这个问题的答案不仅适用于声音，也适用于所有其他波浪。 假设一架喷气式飞机几乎直接冲向你，发出频率为 f s 的声音。 飞机的速度 v s 越大，多普勒偏移越大，观测到的 f o 值就越大（图\(\PageIndex{1}\)）。
现在，当 vs 接近声速时，fo 接近无穷大，因为 f o = f s 中的分母\(\left(\dfrac{v}{v \mp v_{s}}\right)\)接近零。 以声速计算，此结果意味着在声源前方，每个连续的波浪都会干扰前一个波浪，因为声源以声速向前移动。 观察者在同一时刻得到它们，因此频率是无限的 [图 (c) 部分]。
冲击波和声爆
如果声源超过声速，则在声源通过之前，观察者不会收到任何声音，因此来自接近声源的声音在后退时会与来自声源的声音混合。 这种混音看起来很混乱，但发生了一些有趣的事情——冲击波产生了（图\(\PageIndex{2}\)）。
同时到达那里的相似声波沿所示线条（三维圆锥体）产生构造干扰。 这种叠加形成了一种叫做冲击波的干扰，这是一种由物体移动速度比声音更快产生的声音的构造干扰。 在锥体内部，干扰主要是破坏性的，因此那里的声强比冲击波上的声强要小得多。 冲击波的角度可以从几何图形中找到。 在时间 t 中，声源移动了 v s t，声波移动了一段距离 vt，可以使用 sin\(\theta\) = 找到角度\(\frac{vt}{v_{s} t} = \frac{v}{v_{s}}\)。 请注意，马赫数的定义是\(\frac{v_{s}}{v}\)，角度的正弦等于马赫数的逆数，
\[\sin \theta = \frac{v}{w_{s}} = \frac{1}{M} \ldotp \label{17.22}\]
你可能听说过 “音爆” 这个常用术语。 一个常见的误解是，音爆是在飞机突破声屏障时发生的；也就是说，加速到高于声速的速度。 实际上，音爆是在冲击波沿着地面席卷时发生的。
飞机产生两个冲击波，一个来自机头，另一个来自尾巴（图\(\PageIndex{3}\)）。 在对航天飞机着陆的电视报道中，经常可以听到两个截然不同的轰鸣声。 它们之间的间隔恰好与航天飞机通过某个点所花费的时间相隔。 地面观察者通常看不到飞机在制造音爆，因为如图所示，它在冲击波到达他们之前就已经过去了。 如果飞机在低空飞行，音爆中的压力可能会造成破坏，破坏窗户并使神经发抖。 由于声震的破坏性很大，因此禁止在人口稠密地区上空进行超音速飞行。
冲击波是称为弓醒的更广泛现象的一个例子。 当波源的移动速度快于波浪传播速度时\(\PageIndex{4}\)，就会产生弓尾流，如图中的弓尾流。 水浪从产生点开始绕圈散开，弓尾是熟悉的 V 形尾流，落后于源头。 当亚原子粒子在介质中的传播速度快于光在该介质中的传播速度时，就会产生更具异国情调的弓尾声。 （在真空中，最大光速为 c = 3.00×108 m/s；在水介质中，光速接近 0.75 摄氏度。） 如果粒子在其通道中产生光线，则该光线在圆锥体上扩散，其角度表示粒子的速度，如图所示\(\PageIndex{5}\)。 这种弓尾声被称为切伦科夫辐射，通常在粒子物理学中观察到。
