物体运动速度超过空气中的音速会产生音爆,那要是在水中运动超过水里的音速会怎么样呢?

谢邀,也会产生音障。

只不过,这个问题就得先说说什么是音障了。然后咱们也得更加细致的说说超音速飞机是不是真的超过了音速。

是不是看W君这样写大家特别疑惑呢?

咱们先说下空气中的音障。

大家说音速的参考系是在飞行器-大气体系之外的参考系。也就是站的远远的看一架飞机相对于和这架飞机完全无关的飞行条件下的空气的音速比。当这个比值大于1的话,那么这架飞机就超过了音速。

至于音障是怎么产生的,咱们再复述一下吧:

最粗略的解释就是当飞机达到声音的速度的时候,所遇到的阻力就大幅度增加。甚至在很久以前,人们曾经有一点时间认为在空气中飞行的飞机是无法超越音速的。但随即就被射出的子弹能够超越音速的现象所打破认知。

这是当年空气动力学上的一个矛盾点和疑点。

后来通过不断的对超音速飞机的研究过程中发现了激波的特性,才得以利用激波代替机翼所产生的升力使飞机在空中飞行。

但问题来了,飞机真的超越了音速吗?其实并没有!

这就得看参考系了,如果测量飞机边上静止大气的音速,那么飞机的确超越了音速。但如果测量飞机前部被飞机压缩的空气音速,则飞机速度一定小于这一小团空气的音速。

当然了,如果空气是一种理想气体,那么飞机的速度可以飞到几乎无限。

为什么声速不可超越?其主要原因在于,“波”是物体中能传递最快的形式。

甚至固体本身的运动,我们也可以认为是一种波动行为。——施加力固体形产生波动,整个物体在波动下不断开始延展运动。

这里我们可以举个简单的例子,假如有一个AB两端长度为5200米的钢柱,在A短点施予一个足够大的使钢柱可以运动的力量,但是在B点则需要至少一秒后钢柱子的B点才会向受力方方向移动。

原因——钢传播声音(机械波)的速度是5200米/秒。

首先,水传播声音(机械波)的速度大约是1400米/秒,如果在水中想超越水传播声音的速度,则需要极大的能量使水压缩,进一步提高水内音速。但是由于水的不可压缩性会导致这个能量极大,而相对于空气来说那么就是太过于容易压缩所以并没有耗费“太大”的能量。

并且由于如果增加水的内能,那么水会相变。简单的说就蒸发为水蒸气。

如果在水中高速的运动,当能量足够大的时候,实际上还没有达到水内音速,水就会由于内能的增加而变为蒸气,形成——空泡。在“空泡”的包裹下这个物体的运动速度就有点超乎想象了。

俄罗斯有一种空泡鱼雷,实际上是利用额外的头部机构高速旋转产生的空泡。可以达到300节的水下速度,也就是差不多一秒154米。这实际上就又是一种音速了。

如果还不理解这个问题可以再继续查询一下螺旋桨空泡的概念。

实际上造成螺旋桨腐蚀的空泡激波也是超音速产生的,只不过这个150多米/秒的音速是——纯水气内的音速。

再深入讲就得扯到德布罗意了,估计大家也会真心的不爱听啦。

音障的本质就是被压缩的介质无法及时扩散出去。水与空气一样,都是流体,所以水中的超音速物体同样会有音障的问题,只不过水中的阻力更大些。为了弄清楚这个问题,我将从音速、声音传播原理入手,由浅入深,逐步揭开这个谜题。

1、声速/音速

顾名思义,就是声音的传播速度,这个速度跟介质有关,在空气中我们通常取340m/s。声速的公式如下,其中B为不可压缩率,ρ为密度。由此可见,声速随密度增加而减小,随不可压缩率增加而增加。

尽管,水的密度大于空气的密度,但是水更加不可压缩,分子更大,因而声音在水中传播的速度更快,约1500m/s,是空气的4.4倍。根据这个公式,假如物体完全不可压缩(刚体),那么声音在其中的传播速度为无穷大。当然,刚体是不存在的,物体的密度也不可能为零,所以音速也不可能无穷大。

2、声音传播的原理

根据音速的公式,音速跟介质有关。那么声音到底如何传播的呢?实际上,声音的传播靠的是发声物体的振动,压缩附近的介质,然后以波的形式往外扩散,这就是声音传播的原理。由此开见,声波是一种纵波,其扩散(传播)方式如下图所示。

维基百科:声音是一种波动,当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时,声音的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动,使周围的空气产生疏密变化,形成疏密相间的纵波,这就产生了声波,这种现象会一直延续到振动消失为止。

3、音障/音爆

飞行器在飞行过程中,飞机前端一直在压缩空气,如下图所示。越靠近机头,空气压缩的越厉害。显然,飞机飞行速度越快,前端空气也压缩的越厉害。

如果飞行器速度没有超过音速,那么前端空气的压缩可以较为容易的扩散出去。也就是说飞行器飞行过程中产生的声音能够及时的扩散出去(音速)。但是,如果飞行器速度接近音速,此时飞行的速度接近声音往外扩散的速度。飞行器前端积累了大量的无法及时扩散出去的声波,空气压缩的非常厉害。这部分无法及时扩散的声波,就会在飞行器前端形成一个类似于“屏障”之类的存在,这个空气屏障的压强、温度、速度、密度等参数都与附近其他空气不一样。这个屏障就是激波,下图就是飞机突破音速时产生的激波。激波的存在,造成了飞行器阻力大增,所以这种由于速度提升到音速而造成的障碍,称之为音障。

飞行器进入超音速,形成激波面,正如前所述,这个激波面是高度压缩的空气,能量巨大,也是声学能量的高度集中面,称之为音锥,会听到短暂而强烈的声音,就是俗称的音爆了

实际上,激波肉眼是无法看到的。我们之所以能够看见超音速飞机形成的锥形的“激波”,是由于对空气的加压加速,造成水汽凝结。这个效应称之为:“普朗特-格劳厄脱凝结云”。它其实代表的是空气的可压缩性。

4、水中的音障

通过第三部分的介绍,我们已经知道出现音障的原因就在于被压缩的介质无法及时扩散出去,在水中当然也会存在这种现象。但是,声音在水中的传播速度为1500m/s,即水介质的压缩扩散传递的速度为1500m/s,远高于空气的340m/s。

流体中高速运动的物体受到的阻力如下图,对于不同的流体,密度越大阻力也越大。水的密度为1000kg/m3,空气密度1.3kg/m3,几乎相差1000倍。如果其他条件都相同,那么在水中的阻力是空气阻力的1000倍。

目前能搜索到的高超音速飞行器已经达到了26马赫数(音速的26倍),但是这个是航天器,在高轨道运行,空气密度小,阻力自然也小,同样的发动机,实现的速度就越高了。在大气层中的高超音速飞行器最快的是美国的X43,达到了9.6马赫数,不过这个也在大气层边缘。实际上飞的越低,由于空气密度越大,想要实现超音速付出的代价也就越大。

因此,在密度是空气1000倍的水中,其难度无疑也相应的增加了1000倍。这还不算水中想要实现音障的速度是空气的4.4倍。所以整体上,水中音障的难度是空气音障的4400倍。目前,应该没有相应的发动机可以提供足够的动力。

5、总结

通过这篇回答,我们已经知道了声音传播的基本原理,也清楚知道音障其实就是介质的压缩得不到及时的释放,从而不断地积累。那么在水中,理论上同样存在音障的现象。但是由于声速在水中的传播速度是空气的4.4倍,密度是空气的1000倍,想要在水中实现音障,需要有非常巨大的发动机,这正是目前所欠缺的。

这个问题,我从侧面回答一下:水会消失!

通俗来说,物体速度超过音速,即会产生音障,就是说你的移动速度比你发出的声音还要快。(下面是突破音障的实际照片)。

音爆能量巨大,以昔日的超音速协和客机为例,16000米以两倍音速飞行的协和客机,突破音障产生的压力高达100帕,这个力大致约为对一块一平米的玻璃施加10公斤的力。因此不难解释,为什么经常有飞机震破建筑玻璃的报道了。

也可以把这个能量换算成声强,约133分贝。

市场上唯一的超音速协和客机,也因为这个破坏力和居高不下的运营成本,在2003年退出市场。

物体运行速度接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。
突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆(Sonic Boom)。

下面回到我们这个问题,声波在水中的传播速度比空气传播要高得多,大约是1450米每秒。比空气声速340要快4倍多。

也就是说我们的飞行物要达到5220km/h,与光速大约相差5个数量级。

假设全部的条件符合,物体这个速度在水下游泳时,水被挤压的体积根本无法排开!!!只能在瞬间产生极大的热量,以至于接近这个质能公式E=mc2。(能量=物体质量变化乘以光速的平方)

这个热量会在一瞬间摧毁他附近的一切!包括这个飞行的物体。所以可能现实情况就是一个大爆炸,具体过程根本人力察觉不到。

拿普通氢弹原子弹的爆炸来说,其实爆炸中心就是有可能实现这个问题的,爆炸开来的微观粒子,在某些介质,如一个水分子中,实现这个突破音障的飞行。不过因为是微观粒子,所以可能察觉不到什么变化。也或许我们常见的水分子,在这个粒子高速冲击下,形成重水,超重水。

码字不易,生物狗一枚,有空的看官可以点个赞或者关注一下再走。

声音是一种波,无论是在空气中还是在水中,声音都是压缩或者扩张的空气(水)向四周扩散。

因为都是机械波,声波可以完美地用水波诠释。向水中投进一个一个小石子,会有一圈圈的水波扩散。如果小石子跟着扩散的水波不但制造新的水波,水波会不但叠加成为巨浪,这就是”波爆”。

通俗一点讲,需要水波的时候,用手掌拍一下水就可以,需要水浪的时候就用手掌推水,水浪实际上是手掌产生的水波不断叠加的结果。

如果手速够快,推水的速度比水波正常扩散的速度还快,水浪就会被手掌推着高速扩散,成为”超波速”。

对于机械波来说,只要运动速度和波的传播速度相同,都会产生”波爆”,这是由机械波的叠加规则决定的,声波也不例外。

水和空气有些不同,水很难被压缩。现实中可以参考的例子就是子弹在水中的行进。一般的子弹出膛速度都是超音速的,我们可以看到子弹在水里产生了好像爆炸一样的效果。

所以根据我流体力学差点挂科的水平来看,在水中超音速也是把周围的水推开,就好像以超音速打进去类似固体或者泥巴之类的目标一样。

除此之外,我目前唯一可以想到的东西就是超空泡鱼类了。这东西可以在水中超过音速,产生的效果如下。

超空泡鱼类实际上是把水推开,自己在没有水的环境下移动。那么这东西即使在水中的空气产生了激波,那也是会被周围的水给推回来。所以在水中突破音障的效果没有在空气中那么好看。况且在空气中也需要在突破音障的时候以及周围空气潮湿的时候才有音爆云。超音速突破音障之后也就那样,没什么好看的。

根据不可靠消息称,德国的超空泡鱼类已经可以达到800公里每小时,想想就刺激,这东西目前应该没有任何拦截或者防御手段。

在水中不可能达到音速

飞行器在空中突破音障时,会形成壮观的音爆。形成原因是激波面后方由于气压降低而引起的温度降低,水气突遇降温冷凝后形成许多微小的水珠,看上去就像云雾一般。这种云雾通常只能持续几秒钟,转瞬即逝。空中与水下同理。但水的密度比空气大了约9百倍,在水中音速行进的物体,一但因意外因素与水接触,就会产生剧烈的碰撞而发生严重的解体或变形。在音速的情况下,物体撞上水与撞上石头的效果同样。在水下能达到高速的只有超空泡鱼雷了,暂无音速。超空泡其实是一种神奇的物理现象。当物体在水中的运动速度超过 100节时,后部就会形成奇异的水蒸气泡,从而产生”超空泡”流体—机械效应。目前能产生空泡的”暴风”鱼雷雷体长度8.23米,直径533毫米,重量2600千克,战斗部装药250千克,航速200节,航程15000米,最大深度400米。200节远未达到1倍音速,但凭目前的科技已无法拦截,鱼雷的速度再快上去也无意义了,且航程与速度是负相关的,速度重要,能攻击的最远航程也很重要。









我分两种情况来推理这个问题:

1、高速物体撞击水面:

从日常经验来看,高速物体撞击水面时所受到的压力据说比跟撞击钢板差不多,所以,当物体以超过水中声波传播速度撞击水面时,以水的不可压缩性,撞击的瞬间就跟撞到固体一样那么坚硬;于是物体会破碎,而水会因为巨大的热量而瞬间汽化甚至等离子化。

2、一直在水中运动的物体:

再考虑物体一直在水中加速(在此假设此物体无限坚固且为流线型),其加速过程中相对流速高于某个数值(远低于水中音速)的时候开始就有空泡现象,在这之后等于说物体周围的水一直在沸腾,物体的阻力会急剧下降,温度急剧上升,同时随着速度的增高,物体周围的压力也在急剧增高,当温度和压力增加到一定程度(比如温度超过375℃,压力超过22.1MPa)时,物体将被超临界水汽混合物包围,而超临界水的密度大约只有水的三分之一,粘度也只有三分之一,所以推测超临界水中的音速可能也只有水的三分之一左右,大约500米/秒,所以,如果物体在水中超过这个速度时,估计其头部会发生类似空气中的音障现象,只不过受到压缩的不是水,而是水在高温高压下转变而来的超临界水:以物体头部为中心产生一个锥形的超临界水压缩界面层。

如果物体继续增加速度,超临界水变成超超临界水,温度压力进一步提高,直至超超临界水的密度接近水,此时可能就达到水的音速附近了,推测可能此时物体头部的温度与压力已经足以将水分子离解,那么此时的景象可能是物体头部形成一个尖锐的锥形压缩离子层,该压缩离子层向后因温度压力下降变成超临界水,然后变成水蒸汽气泡,然后水蒸汽气泡破裂产生巨大的爆炸声!

以上,就是对水中运动物体超过水音速的图景推测!供诸君参考。

你的提问是错误的。不是物体超越音速会产生音障,而是运动的物体在跨越音速时遇到较大的阻力,被称之为音障。运动的物体,它的速度小于或大于音速都不会遇到音障。相同的物体在水中运动遇到的阻力几十倍在空气中遇到的阻力,目前没有任何物体在水中的运动速度超过声音空气中传播的速度,也不能超过声音在水中传播的速度。

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