问题

既然有音障,那么在水里是不是也会形成某种“障“?

回答
这问题问得很有意思,也直击要害。我们确实有个熟悉的词——音障,但它特指物体在空气中突破声音传播速度时遇到的阻碍。那么,在水里,是不是也存在类似的东西呢?答案是:有,但表现形式和我们通常理解的“音障”不太一样,而且更复杂。

首先,我们要明白,水是一种介质,而声音在水中传播的方式和空气是不同的。最关键的一点是,声音在水中的传播速度比在空气中快得多。 大概是空气中声音速度的4.5倍,大约是1500米/秒。这个速度差异本身就意味着,如果我们在水里想达到一个类似“音速”的概念,那得快得多。

那么,当物体在水中高速运动时,会不会遇到什么阻碍呢?答案是肯定的。这种阻碍,虽然不叫“水音障”(这个词并没有广泛使用),但它确实存在,而且是多方面的:

1. 流体动力学阻力(最直接的“障”)

这是最核心也最容易理解的部分。任何物体在水中运动,都会受到水的阻力。这种阻力的大小与物体的速度、形状、表面光滑度以及水的密度和粘度有关。

速度效应: 当物体速度增加时,水的阻力会急剧增大。这种阻力并非简单地随速度线性增加,很多时候会呈现出平方或更高次方的关系。想象一下,你在水中慢慢游,感觉不到太大阻力;但如果你想像鱼一样快速摆动,立刻就能感受到水的“推力”和“拉力”,这就是阻力在起作用。
压强差: 物体高速运动时,会在身体前方产生高压区,在身体后方产生低压区(形成涡流)。这个压强差就是阻力的一个主要来源。就像在空气中,飞行器前方空气被压缩,后方产生稀薄区域一样。水虽然密度更大,但原理是相通的。
粘滞阻力: 水分子之间以及水与物体表面之间的摩擦力,也构成了阻力的一部分。虽然不如压强差带来的阻力那么显著,但对于精细的流体动力学而言,也是不可忽视的。

所以,你可以把这种不断增大的流体动力学阻力看作是物体在水中“加速”时遇到的一个物理“障”。 速度越快,这个“障”就越坚实,需要的能量也越多。

2. 空化现象(一个非常特殊的“障”)

这是在水中高速运动时可能出现的一种非常奇特且危险的现象,可以说是水中高速运动的“特产”。当物体在水中以极高的速度运动时,其表面或周围的水压会骤然下降。如果局部水压低于水的饱和蒸气压,水就会在局部汽化,形成微小的水蒸气泡。

形成过程: 想象一下一个高速旋转的螺旋桨叶片或一个高速飞行的鱼雷。在它们运动速度极快的地方,水流被急剧加速,根据伯努利原理(流速越快,压强越小),这些区域的水压就会非常低。
后果: 这些气泡在形成后会很快被周围更高压的水压挤压破裂。这个破裂过程会产生极高的局部压力和温度冲击,对物体表面造成严重的侵蚀和损坏,这就是所谓的“空化腐蚀”。同时,这些气泡的形成和破裂还会显著增加阻力,并产生巨大的噪音。
与音障的类比: 空化现象可以看作是水中高速运动的一种“障碍”。虽然它不是基于声音速度的限制,但它确实是一个由速度引起的、限制物体进一步加速并可能造成损坏的物理极限。从某种意义上说,一旦发生空化,物体就进入了一个非常不利于继续加速的区域,这和音障让飞行器进入高阻力区域有异曲同工之妙。 潜艇的螺旋桨、高速船只的推进器设计,都要考虑如何避免或减缓空化现象。

3. 声波的产生与传播(与音障的联系)

当物体在水中高速运动时,除了上述的流体阻力,它也会产生声波。这与空气中的音障现象有些相似之处。

声波来源: 任何非匀速运动的物体都会产生声波。在水中高速运动时,物体的形变、表面的湍流、以及前面提到的空化气泡的破裂,都会产生大量的声波。
与“障”的关系: 在水中,声音传播速度快,这使得“声速”本身变成了一个很高的门槛。如果一个物体在水中运动的速度逼近甚至超过声音在水中的速度,那么它会产生非常强大的激波,这理论上也会带来巨大的阻力增加。但是,在实际操作中,在我们能够真正达到水下“声速”的物体之前,往往已经被前面提到的流体阻力和空化现象限制住了。 也就是说,空化和流体阻力通常会成为更早出现的、更实际的“障碍”。

总结一下:

水里确实存在让物体高速运动变得困难的“障”,但它不是一个单一的、以声音速度为界限的“水音障”。它更像是一个由多种因素叠加而成的、与速度密切相关的“阻力壁垒”和“性能极限”。

最根本的“障”是流体动力学阻力。 速度越快,阻力越大,需要克服的阻力也越难以想象。
一个非常特别且危险的“障”是空化现象。 它不仅会大幅增加阻力,还会损坏物体本身,是在水中高速运动必须面对的严峻挑战。
理论上存在“水下声速”这一概念, 超越它也可能产生类似音障的效应,但实际中,我们遇到的主要限制是流体阻力和空化,它们通常会在我们达到水下“音速”之前就成为主导性的阻碍。

所以,下次你想象潜艇或水下飞行器高速前进时,要考虑的不仅仅是是否会“撞上”声音,更重要的是它们如何对抗那股巨大的、不断增长的水的推力,以及如何避免被水蒸气泡的撕裂。那才是它们在水中真正需要克服的“障”。

网友意见

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题主恐怕是没有弄明白什么是音障吧...

我尝试解释一下。

这里最基本的逻辑是这样的:

(1)声音是一种波,就像你丢块石头到湖里激起的水面波纹一样,在没有遇到障碍之前,它会向四面八方传播。

(2)波有大小之分。这和波的能量有关。声音也类似 - 简单的说呢,就是声音越大时,对应的声波的能量就越多。(注意我不在开车,想歪了的请自觉面壁思过)。

(2)波可以叠加。这也很容易理解。如果你丢两块石头几乎同时落水,那么激起的两组水面波纹可以叠加,这时如果只看水面的某一个点,它上下振动的幅度会比单独一个波源时的震动幅度要大。这是波的叠加。声波也可以叠加。如果声音源是一样的(比如两个同步播放同一首歌的音箱放在一起时),出来的声波就会叠加放大,类似于加法。对应的能量也会增加。

(3)波也有传播速度。这个也不难理解,就像水波一样,你丢一块石头到水里,波纹要传到对岸会需要一些时间。声波也有传播速度。(这正是为什么通常先看到闪电后听到雷声,因为声音传播的速度比光慢)

如果你理解上面三个基本理论,那么就可以理解音障的形成了。

为了方便理解,我们把飞机假象成一个点(类似于中学物理讲的“质点”的概念)

当一架飞机飞的时候,持续地发出声音,这声音会向四面八方传播,包括飞机前进的方向。那么当飞机以音速前进的时候会发生什么事情呢?为了方便理解,我们取几个点,像看视频一样拆解出来看看哈:

第0秒,飞机在以音速前进,假设它发出的声波为A。那么A也是以音速前进的。

第1秒,飞机还在以音速前进,此时在飞机的位置,除了飞机自己之外,还有A叠加在一起。假设飞机在这一秒发出的声波是B。

第2秒,飞机所处的位置上,除了飞机自己,还有A和B两个声波能量的叠加。和上面类似,假设飞机在这一秒发出的声波是C。

第三秒,飞机所处的位置上,除了飞机自己,还有A/B/C三个声波能量的叠加。以此类推...

很快,飞机所在的位置就会聚集极大的振动能量。这个能量只要足够大,是可以把飞机震碎的。因此从来都只会说“飞机穿过音障”,而不会说“飞机以保持着音障附近的速度飞行“,因为那样飞机肯定会振散架的。

上面只是为了方便理解,取了几个点来描述。基本意思能解释清楚,希望你能理解。实际上这个过程像积分一样其实是连续的,飞机周围的声波能量是持续累积的,并且真实的情况要远比这个复杂,在这儿就不展开了。(实际上,展开了我也讲不清楚哈哈哈哈哈~这个X装得怎么样~手动机智)

理解了音障形成的原因之后就能回答题主的问题了。

音障出现的条件是物件一边发出声音一边以音速前进。(理论上你如果能跑那么快的话,一边吼一边跑也能经历音障哈哈)

那么“水障”呢?我猜测题主问的是在水里的类似音障的东西 - 水中声音的传播速度大概是空气中的4.5倍左右,也就是4000多公里的时速。在水里辣么大阻力,至少在目前和可预见的未来,人类是不可能经历水中的“音障”的。

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