我所了解的聲波、縱波與橫波

                                                                  我所了解的聲波、縱波與橫波

      2月25日在科學(xué)網(wǎng)博客上看到并拜讀了趙衛(wèi)鋒博主所發(fā)，題為“從橫波與縱波的區(qū)別看兩個(gè)驚天科學(xué)推論”的博文，覺得有必要就自己所知解讀一下關(guān)于聲波、縱波和橫波的物理概念。

一. 彈性媒質(zhì)中的應(yīng)力波
      通常將彈性媒質(zhì)粗略地劃分為固體、液體、氣體。嚴(yán)格意義上的“固體”僅指晶體，而廣義的“固體”則指能夠自行維持形狀、尺寸不變的物體，包括金屬、無機(jī)非金屬、高分子聚合物(塑料、橡膠、纖維)、凝膠(天然和人造凝膠、人體軟組織)等。

      固體中能夠傳播的波型(不是“波形”)有縱波、橫波、拉伸波、彎曲波、扭轉(zhuǎn)波等，而液體和氣體中只能傳播縱波。非專業(yè)人士之所以認(rèn)為“聲波只有縱波”，是由于他們以為聲波僅存在于空氣中，能夠被人耳聽到的那種。

二．技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于聲波、縱波、橫波的定義
  1.聲波
      (1)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60050-801:1994《電工術(shù)語 聲學(xué)與電聲學(xué)》及等同采用該國際標(biāo)準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2900.86—2009中的定義是：彈性媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)在平衡位置附近的運(yùn)動(dòng)。
      (2)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3947—1996《聲學(xué)名詞術(shù)語》中的定義是：彈性媒質(zhì)中傳播的壓力、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、重點(diǎn)速度等的變化或幾種變化的組合。
  
  2.縱波
      (1)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60050-801:1994《電工術(shù)語 聲學(xué)與電聲學(xué)》及等同采用該國際標(biāo)準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2900.86—2009中的定義是：媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)位移方向垂直于波陣面的波。
      (2)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3947—1996《聲學(xué)名詞術(shù)語》中的定義是：媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)沿傳播方向運(yùn)動(dòng)的波。

  3.橫波
      (1)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60050-801:1994《電工術(shù)語 聲學(xué)與電聲學(xué)》及等同采用該國際標(biāo)準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2900.86—2009中的定義是：媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)位移方向平行于波陣面的波。
      (2)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3947—1996中《聲學(xué)名詞術(shù)語》的定義是：媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)垂直于傳播方向運(yùn)動(dòng)的波。

      需要指出的是，很多著述(包括大部分聲學(xué)著述)中將“聲波”定義為“機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播”，并由此將其稱為“機(jī)械波(mechanical wave)”，而載于國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中的的權(quán)威定義，完全沒有這樣的意思。之所以出現(xiàn)這種情況，一個(gè)重要原因是，長久以來和相當(dāng)普遍的對(duì)mechanical的誤解、誤譯。眾所周知，許多英文詞匯是一詞多義的，mechanical就是一個(gè)。作為形容詞，mechanical有三種含義，即力的、力學(xué)的、機(jī)械的。按照科學(xué)定義，“力(force)”是物體之間的一種相互作用，是使物體獲得加速度、產(chǎn)生形變和導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的動(dòng)因(agent)，而mechanical是force的形容詞形式；“力學(xué)(mechanics)”是研究力、運(yùn)動(dòng)和媒質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的科學(xué)；“機(jī)械(machinery、machine、 mechanism)”是指利用力學(xué)原理構(gòu)建的各種裝置、機(jī)器。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3947中的聲波定義，聲波是壓力、應(yīng)力(聲壓)的變化和傳播，而國際著名的聲學(xué)專著《固體中的應(yīng)力波(Stress wave in solids)》中，就是將聲波稱為“應(yīng)力波”，故將“mechanical wave”譯為“力波”才符合原意。

三．真實(shí)媒質(zhì)中的縱波和橫波速度
      對(duì)于泊松比為0.33的均勻各向同性硬固體，縱波聲速為橫波聲速的2倍。金屬和巖石、玻璃、水泥之類非金屬，泊松比通常在0.3-0.4之間。軟橡膠、水凝膠(如涼粉、肉皮凍等)和人體軟組織的泊松比在0.49以上，縱波聲速遠(yuǎn)大于橫波聲速。液體的泊松比為0.5，橫波聲速為0。

     按材料類別劃分，金屬材料的縱波聲速大多在3500m/s以上，多數(shù)在4000-6000m/s之間。其中鋼約5941m/s，銅約4700m/s，鋁約6260m/s，最高的鈹為12890m/s。無機(jī)非金屬材料的縱波聲速大多在3500m/s以上，其中玻璃約為5500m/s，水泥約為4000m/s。巖石大多呈各向異性，高的方向最高者可達(dá)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。橡膠大多在1500-1600m/s，但大多數(shù)硅橡膠在1000m/s左右。水凝膠與水相近，一般在1500—1600m/s。

      金屬、無機(jī)非金屬材料的橫波聲速一般約為縱波聲速的一半或不到。硬塑料(氟塑料除外)的橫波聲速一般在600-1200m/s之間。橡膠的橫波聲速一般在300m/s以上，但硅橡膠可低至20m/s。水凝膠的橫波聲速一般在數(shù)m/s水平，甚至在1m/s以下。

      趙先生所稱的，橫波聲速低至20-40cm/s的情況，在濃度甚低的水凝膠中是可以做到的，但不易測量。非流體，即能夠承受剪切力，剪切模量不為零的媒質(zhì)中，存在橫波是早就知道的，并非現(xiàn)今研究者們的發(fā)現(xiàn)。如果在剪切模量為零的流體中發(fā)現(xiàn)了橫波，那倒真是“顛覆性”的。