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日在科學網博客上看到并拜讀了趙衛鋒博主所發，題為“從橫波與縱波的區別看兩個驚天科學推論”的博文，覺得有必要就自己所知解讀一下關于聲波、縱波和橫波的物理概念。

一. 彈性媒質中的應力波
      通常將彈性媒質粗略地劃分為固體、液體、氣體。嚴格意義上的“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、扭轉波等，而液體和氣體中只能傳播縱波。非專業人士之所以認為“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．技術標準中關于聲波、縱波、橫波的定義
  1.聲波
      (1)國際標準IEC60050-801:1994《電工術語 聲學與電聲學》及等同采用該國際標準的國家標準GB/T2900.86—2009中的定義是：彈性媒質中質點在平衡位置附近的運動。
      (2)國家標準GB/T3947—1996《聲學名詞術語》中的定義是：彈性媒質中傳播的壓力、應力、質點位移、重點速度等的變化或幾種變化的組合。
  
  2.縱波
      (1)國際標準IEC60050-801:1994《電工術語 聲學與電聲學》及等同采用該國際標準的國家標準GB/T2900.86—2009中的定義是：媒質中質點位移方向垂直于波陣面的波。
      (2)國家標準GB/T3947—1996《聲學名詞術語》中的定義是：媒質中質點沿傳播方向運動的波。

  3.橫波
      (1)國際標準IEC60050-801:1994《電工術語 聲學與電聲學》及等同采用該國際標準的國家標準GB/T2900.86—2009中的定義是：媒質中質點位移方向平行于波陣面的波。
      (2)國家標準GB/T3947—1996中《聲學名詞術語》的定義是：媒質中質點垂直于傳播方向運動的波。

      需要指出的是，很多著述(包括大部分聲學著述)中將“聲波”定義為“機械振動在媒質中的傳播”，并由此將其稱為“機械波(mechanical wave)”，而載于國際和國內標準中的的權威定義，完全沒有這樣的意思。之所以出現這種情況，一個重要原因是，長久以來和相當普遍的對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。作為形容詞，mechanical有三種含義，即力的、力學的、機械的。按照科學定義，“力(force)”是物體之間的一種相互作用，是使物體獲得加速度、產生形變和導致結構破壞的動因(agent)，而mechanical是force的形容詞形式；“力學(mechanics)”是研究力、運動和媒質力學性質的科學；“機械(machinery、machine、 mechanism)”是指利用力學原理構建的各種裝置、機器。按照國家標準GB/T3947中的聲波定義，聲波是壓力、應力(聲壓)的變化和傳播，而國際著名的聲學專著《固體中的應力波(Stress wave in solids)》中，就是將聲波稱為“應力波”，故將“mechanical wave”譯為“力波”才符合原意。

三．真實媒質中的縱波和橫波速度
      對于泊松比為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中，存在橫波是早就知道的，并非現今研究者們的發現。如果在剪切模量為零的流體中發現了橫波，那倒真是“顛覆性”的。