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我所了解的声波、纵波与横波

已有 928 次阅读 2024-2-25 23:29 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述

   我所了解的声波、纵波与横波  

   2月25日在科学网博客上看到并拜读了赵卫锋博主所发,题为“从横波与纵波的区别看两个惊天科学推论”的博文,觉得有必要就自己所知解读一下关于声波、纵波和横波的物理概念。

一. 弹性媒质中的应力波

通常将弹性媒质粗略地划分为固体、液体、气体。严格意义上的“固体”仅指晶体,而广义的“固体”则指能够自行维持形状、尺寸不变的物体,包括金属、无机非金属、高分子聚合物(塑料、橡胶、纤维)、凝胶(天然和人造凝胶、人体软组织)等。

固体中能够传播的波型(不是“波形”)有纵波、横波、拉伸波、弯曲波、扭转波等,而液体和气体中只能传播纵波。非专业人士之所以认为“声波只有纵波”,是由于他们以为声波仅存在于空气中,能够被人耳听到的那种。

二.技术标准中关于声波、纵波、横波的定义

  1.声波

(1)国际标准IEC60050-801:1994《电工术语 声学与电声学》及等同采用该国际标准的国家标准GB/T2900.86—2009中的定义是:弹性媒质中质点在平衡位置附近的运动。

(2)国家标准GB/T3947—1996《声学名词术语》中的定义是:弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、重点速度等的变化或几种变化的组合。

  2.纵波

(1)国际标准IEC60050-801:1994《电工术语 声学与电声学》及等同采用该国际标准的国家标准GB/T2900.86—2009中的定义是:媒质中质点位移方向垂直于波阵面的波。

(2)国家标准GB/T3947—1996《声学名词术语》中的定义是:媒质中质点沿传播方向运动的波。

  3.横波

(1)国际标准IEC60050-801:1994《电工术语 声学与电声学》及等同采用该国际标准的国家标准GB/T2900.86—2009中的定义是:媒质中质点位移方向平行于波阵面的波。

(2)国家标准GB/T3947—1996中《声学名词术语》的定义是:媒质中质点垂直于传播方向运动的波。

   需要指出的是,很多著述(包括大部分声学著述)中将“声波”定义为“机械振动在媒质中的传播”,并由此将其称为“机械波(mechanical wave)”,而载于国际和国内标准中的的权威定义,完全没有这样的意思。而之所以出现这种情况,一个重要原因是,长久以来和相当普遍的对mechanical的误解。众所周知,许多英文词汇是一词多义的,mechanical就是一个。作为形容词,mechanical有三种含义,即力的、力学的、机械的。按照科学定义,“力(force)”是物体之间的一种相互作用,是使物体获得加速度、产生形变和导致结构破坏的动因(agent),而mechanical是force的形容词形式;“力学(mechanics)”是研究力、运动和媒质力学性质的科学;“机械(machinery、machine、 mechanism)”是指利用力学原理构建的各种装置、机器。按照国家标准GB/T3947中的声波定义,声波是压力、应力(声压)的变化和传播,而国际著名的声学专著《固体中的应力波(Stress wave in solids)》中,就是将声波称为“应力波”,故将“mechanical wave”译为“力波”才符合原意。

三.真实媒质中的纵波和横波速度

对于泊松比为0.33的均匀各向同性硬固体,纵波声速为横波声速的2倍。金属和岩石、玻璃、水泥之类非金属,泊松比通常在0.3-0.4之间。软橡胶、水凝胶(如凉粉、肉皮冻等)和人体软组织的泊松比在0.49以上,纵波声速远大于横波声速。液体的泊松比为0.5,横波声速为0。

按材料类别划分,金属材料的纵波声速大多在3500m/s以上,多数在4000-6000m/s之间。其中钢约5941m/s,铜约4700m/s,铝约6260m/s,最高的铍为12890m/s。无机非金属材料的纵波声速大多在3500m/s以上,其中玻璃约为5500m/s,水泥约为4000m/s。岩石大多呈各向异性,高的方向最高者可达9000m/s,低的方向可至4000m/s。硬塑料中除氟塑料在1500m/s之下,一般在2000-2800m/s。橡胶大多在1500-1600m/s,但大多数硅橡胶在1000m/s左右。水凝胶与水相近,一般在1500—1600m/s。

金属、无机非金属材料的横波声速一般约为纵波声速的一半或不到。硬塑料(氟塑料除外)的横波声速一般在600-1200m/s之间。橡胶的横波声速一般在300m/s以上,但硅橡胶可低至20m/s。水凝胶的横波声速一般在数m/s水平,甚至在1m/s以下。

 

赵先生所称的,横波声速低至20-40cm/s的情况,在浓度甚低的水凝胶中是可以做到的,但不易测量。非流体,即能够承受剪切力,剪切模量不为零的媒质中,存在横波是早就知道的,并非现今研究者们的发现。如果在剪切模量为零的流体中发现了横波,那倒真是“颠覆性”的。



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