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在昨天的文章《“劍鳴”是什么？教你在工程知識(shí)的加持下打造一把能“鳴”的劍》中，有粉絲留言問(wèn)到了一個(gè)專業(yè)但極其關(guān)鍵的問(wèn)題：“材料聲速到底有什么意義？”——說(shuō)實(shí)話，這個(gè)問(wèn)題一旦理解透了，不光是在結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料物理中如撥云見日，甚至你在看到“10馬赫戰(zhàn)斗機(jī)”、“斜激波引擎”、“高超音速飛行器”這些噱頭新聞時(shí)，都會(huì)有種“啊這不是在講幼兒物理”的感覺。

有一說(shuō)一，在高階的工程領(lǐng)域里，材料聲速和介質(zhì)聲速是絕對(duì)繞不開的兩道門檻。它們不是“學(xué)術(shù)概念”，而是實(shí)打?qū)嵖刂浦斑@個(gè)東西能不能快”、“快了之后會(huì)不會(huì)散架”、“結(jié)構(gòu)是不是能活下來(lái)”的第一原則。材料聲學(xué)可以說(shuō)是一層窗戶紙，一旦捅破了，很多事情就全明白了。

如果說(shuō)“力”是工程的顯性語(yǔ)言，那么“聲速”就是結(jié)構(gòu)材料背后的隱性規(guī)則。一切你看到的爆炸沖擊、防護(hù)裝甲、飛行姿態(tài)控制、甚至太空器再入包線設(shè)計(jì)，都必須首先過(guò)一遍“聲速關(guān)”。而在這其中，最能直觀展現(xiàn)聲速統(tǒng)治力的物理現(xiàn)象，莫過(guò)于爆轟波了。

W君學(xué)高能材料的，對(duì)爆炸恐怕要比很多人熟悉那么一些，但是在講爆轟波之前咱們先熟悉一下很多人都自以為特別熟悉的“聲速”。這是一個(gè)最基本的概念，聲速是介質(zhì)中擾動(dòng)傳播的速度。這句話很重要，咱們沒有說(shuō)空氣、沒有直接說(shuō)聲音，而是用了“介質(zhì)”、“擾動(dòng)傳播”和“速度”這三個(gè)關(guān)鍵詞。

首先，“聲”不可能脫離介質(zhì)存在。那么什么是“聲”？如果你去查百科，通常會(huì)查到諸如“聲音是振動(dòng)產(chǎn)生個(gè)聲波，通過(guò)介質(zhì)（空氣或固體、液體）傳播并能畀人或動(dòng)物聽覺器官所感知個(gè)波動(dòng)現(xiàn)象?！钡慕忉?，實(shí)際上這種解釋僅僅是基于大多數(shù)人的直觀感知給出了一個(gè)用自己來(lái)解釋自己的概念。

就像“光”是什么一樣，普通人所接受的概念依然是“人眼所能感受到的電磁波”?！奥暋北举|(zhì)上是一種機(jī)械波——也就是介質(zhì)粒子之間通過(guò)彈性力相互擾動(dòng)并傳播能量的過(guò)程。在工程物理中，聲波的存在不依賴你是不是人，也不關(guān)心你聽沒聽到。它存在于地震波、爆炸波、結(jié)構(gòu)響應(yīng)波、甚至工業(yè)檢測(cè)中的超聲波之中。從幾赫茲的地殼緩慢震動(dòng)，到幾十兆赫茲的無(wú)損探傷波，全都是“聲”的范疇。

所以，聲不是“人耳聽到的東西”，而是“物質(zhì)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)”。這里的物質(zhì)就是聲音傳播的介質(zhì)了。那么“介質(zhì)”的意義何在？很多人聽到“介質(zhì)”這兩個(gè)字，就腦補(bǔ)出“空氣”、水”、“固體”這類物理環(huán)境詞匯——其實(shí)這只是表象。真正的介質(zhì)含義是“一個(gè)能在擾動(dòng)發(fā)生后，把這種擾動(dòng)通過(guò)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)出去的物理體系”。

如果沒有這個(gè)傳導(dǎo)體系其實(shí)——能量傳遞的效率就會(huì)大幅度縮減。例如我們?cè)谡４髿鈨?nèi)點(diǎn)燃一包炸藥：

炸藥就可以正常爆炸——似乎是廢話吧？但如果我們?cè)谡婵罩悬c(diǎn)燃一包炸藥：

你得仔細(xì)的看，炸藥迸出幾顆火星子之后就安然無(wú)恙的懸掛在真空中——這就是失去了介質(zhì)的炸藥粉“爆炸”的情景。能量的“擾動(dòng)”無(wú)法繼續(xù)傳導(dǎo)。

不僅僅是炸藥爆炸，如果是失去了空氣這種聲音的介質(zhì)，就連水滴下落都不會(huì)濺起水花。

這是很多人從未意識(shí)到的事實(shí)：你所見的“飛濺”不是水自己的行為，而是聲波的副產(chǎn)品。水滴在撞擊表面的瞬間，不僅僅是慣性在擴(kuò)散，更重要的是沖擊所引發(fā)的空氣激波作用在液滴邊緣，突破了液體表面張力的穩(wěn)定閾值，使得原本連續(xù)的液面被撕開、卷起、噴出，才形成我們熟悉的“水花”。

很多人下意識(shí)會(huì)反駁：“一個(gè)小水滴怎么可能產(chǎn)生‘激波’？這不是大氣層再入才會(huì)有的嗎？”。錯(cuò)了！沖擊產(chǎn)生激波與尺度無(wú)關(guān)，而與速度梯度、介質(zhì)壓縮性和時(shí)間尺度高度相關(guān)。哪怕只是一個(gè)幾米每秒速度的液滴，在極短接觸時(shí)間內(nèi)，也能在氣體中形成足以產(chǎn)生壓縮波的擾動(dòng)界面，并在邊緣區(qū)域形成高壓氣體束——這就是小尺度聲學(xué)激波的一種表現(xiàn)。

這就進(jìn)入聲音三元素的最后一個(gè)問(wèn)題——聲速。那么，聲速是什么？簡(jiǎn)單說(shuō)，聲速就是介質(zhì)中擾動(dòng)傳播的速度極限。它不取決于“聲音的大小”，也和“你聽得見聽不見”沒有任何關(guān)系，而是由介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理屬性決定的。在氣體中，它與溫度、壓強(qiáng)、分子質(zhì)量和絕熱指數(shù)有關(guān)：

在固體中，它與楊氏模量和密度有關(guān)：

——意思是，誰(shuí)的分子彈性強(qiáng)，誰(shuí)的密度低，誰(shuí)就能把擾動(dòng)“傳得快”。舉個(gè)例子，常溫常壓下，空氣中的聲速大約是每秒343米；水稍快些，能跑到1500米每秒左右；鋼鐵更快，聲速能達(dá)到5900米每秒；而鎢這種高密度高彈性材料，聲速可以逼近6200米每秒。你以為這就結(jié)束了？不，還有一些高模量陶瓷材料，比如氮化硼、立方氮化硅，它們的聲速甚至能突破11000米每秒——在這種材料里，一旦你打出擾動(dòng)，響應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的。

微觀解釋就類似于它——牛頓擺：

微觀層面怎么理解“聲速”？可以想象成你在看牛頓擺：你撥動(dòng)一頭，另一頭迅速響應(yīng)，中間的鋼球一個(gè)不動(dòng)，看起來(lái)像是“能量瞬移”，但實(shí)際上它們之間每一對(duì)鋼球都完成了力的傳遞和能量交換。這種“波動(dòng)接力”依賴兩個(gè)核心物理量：彈性模量和質(zhì)量密度。

聲速，正是它們的函數(shù)。

彈性越強(qiáng)，意味著介質(zhì)內(nèi)部“想要恢復(fù)原狀”的驅(qū)動(dòng)力越大；質(zhì)量密度越低，意味著你不需要耗費(fèi)太多動(dòng)能去推動(dòng)它。這兩者結(jié)合起來(lái)，就決定了一個(gè)介質(zhì)面對(duì)擾動(dòng)時(shí)的響應(yīng)速度極限——這就是聲速的本質(zhì)。

這也是為什么同樣是金屬，鎢比鋼更“硬”，但聲速并沒有快太多，因?yàn)樗m然彈性模量更高，但密度也高，反而在推高響應(yīng)速度這件事上被“拖了后腿”。而像某些陶瓷材料，比如氮化硼、氮化硅，它們不僅模量高、結(jié)構(gòu)剛性極強(qiáng)，而且原子質(zhì)量輕，于是聲速就能沖上每秒11000米級(jí)別。這已經(jīng)接近材料對(duì)擾動(dòng)可容忍的物理上限。

一旦擾動(dòng)傳播速度超過(guò)這個(gè)上限會(huì)發(fā)生什么？你別指望結(jié)構(gòu)還能“理解”你——它只會(huì)崩潰。再?gòu)椀牟牧希诼曀僦弦矔?huì)變得脆弱。再高的強(qiáng)度，在聲速面前都只能算響應(yīng)速度夠快，而不是足夠堅(jiān)不可摧。

但有一件事得明白，真正的堅(jiān)不可摧是不存在的。牛頓擺之所以可以傳遞動(dòng)量，原因是輸入的動(dòng)量還不足以破壞牛頓擺的結(jié)構(gòu)。如果足夠大呢？會(huì)是怎樣？有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)的，看動(dòng)圖：

一顆高速加速的小球撞擊牛頓擺，瞬間擊掉第一顆球，整個(gè)系統(tǒng)瞬時(shí)解體，連帶鋼絲崩斷、小球橫飛，底座直接移位。這事情就不是“能量守恒被打斷了”，而是結(jié)構(gòu)響應(yīng)速度根本來(lái)不及接收動(dòng)量，因?yàn)樗穆曀贅O限被超越了——“架子被能量守恒打飛了”而已

這個(gè)畫面可以說(shuō)是爆轟波在材料中表現(xiàn)出的物理機(jī)制的縮小版本：只要能量釋放速度快到一定程度，任何材料都會(huì)被擊穿，而不是“接受”。這不是打穿結(jié)構(gòu)，而是讓結(jié)構(gòu)壓根來(lái)不及做出反應(yīng)。

能讀到這里就很好了，基礎(chǔ)的聲速、介質(zhì)響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)崩潰機(jī)制咱們今天都已經(jīng)交代得相當(dāng)透徹，那么——是時(shí)候真正講“爆轟波”了。

在很多人看來(lái)，沖擊波和爆轟波只是“炸藥炸了以后的一道氣浪”，區(qū)別可能只是沖擊波更“先到”、爆轟波更“劇烈”而已。但在工程物理和爆炸力學(xué)中，這兩個(gè)概念完全是兩種不同的現(xiàn)象，甚至連驅(qū)動(dòng)機(jī)制都不一樣。上面的牛頓擺的例子中，沖擊波可以是牛頓擺本身上來(lái)回?cái)[動(dòng)的小球，而爆轟波則是飛向牛頓擺的那個(gè)小球。

沖擊波是由高速氣體壓縮造成的壓力波，它不依賴材料本身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。你可以把它理解為一個(gè)極短時(shí)、極高壓的“空氣錘子”，比如一個(gè)高速物體突破音障產(chǎn)生的音爆，或者炸藥中心快速釋放熱量把周圍空氣擠出去產(chǎn)生的高壓波前。它的傳播是機(jī)械的，靠氣體分子的擠壓和傳遞來(lái)完成，不涉及能量從化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程。最典型的例子就是高超聲速飛行器頭部形成的弓形激波，這就是一個(gè)純粹的沖擊波。

而爆轟波不一樣。它不僅包含了一個(gè)高壓高溫的激波前沿，更可怕的是這個(gè)激波后面緊跟著的是一個(gè)正在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的能量釋放區(qū)。也就是說(shuō)，它是一個(gè)能自己“養(yǎng)活自己”的波前：激波負(fù)責(zé)“點(diǎn)燃”前方的炸藥，炸藥燃燒釋放出的能量反過(guò)來(lái)又維持激波的強(qiáng)度，于是形成了一個(gè)高速推進(jìn)、持續(xù)燃燒、能自持穩(wěn)定傳播的“反應(yīng)波”。

簡(jiǎn)單的例子：大部分彈藥都是依靠爆轟波的界面效應(yīng)得以破裂的。例如406mm海軍炮的炮彈，很多人覺得這枚炮彈內(nèi)部得滿滿的裝填炸藥，而實(shí)際上：

這種炮彈只在尾部裝填很少的炸藥，以HC Mark 13高爆彈為例子，這枚炮彈的重量為862公斤，內(nèi)部的炸藥只有70公斤。但這70公斤的炸藥爆炸，可以像撕紙一樣把外面厚達(dá)近10公分的（兩層航母甲板鋼材厚度）直接撕裂。

這是因?yàn)闆_擊波是被動(dòng)傳播，爆轟波是主動(dòng)進(jìn)攻。前者靠動(dòng)量傳導(dǎo)，后者靠化學(xué)能驅(qū)動(dòng)。

更有意思的是，從數(shù)學(xué)上講，沖擊波是一個(gè)間斷面，它滿足質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒的Rankine-Hugoniot條件，但后面不會(huì)有能量補(bǔ)給。而爆轟波滿足同樣的守恒條件，卻還要疊加一個(gè)“自燃反應(yīng)區(qū)”的傳播方程，它形成的是一個(gè)耦合了反應(yīng)速率的非線性波動(dòng)前緣。

你可以想象，一塊炸藥如果僅僅是炸一下然后擴(kuò)散能量，它形成的是沖擊波。而如果它炸完一小塊，然后那塊引燃旁邊，再引燃旁邊，再引燃旁邊……每一段都像“接力棒”一樣把反應(yīng)傳下去，那它就是爆轟波。

所以，爆轟波是有“傳播速度”的，這個(gè)速度甚至可以作為炸藥性能的衡量指標(biāo)。TNT 是 6900 米每秒，HMX 是 9100 米每秒，CL-20 接近 9500 米每秒。這個(gè)速度之所以能高于材料本身的聲速，是因?yàn)樗皇遣牧蠌椥皂憫?yīng)的傳播，而是化學(xué)反應(yīng)推進(jìn)的速度。

也就是說(shuō)，爆轟波根本不需要依賴材料聲速——它就是打著化學(xué)能的旗幟直接硬闖物理世界的邊界。而當(dāng)它撞上結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)還沒來(lái)得及像牛頓擺一樣“排好隊(duì)把動(dòng)量傳走”，它就已經(jīng)被能量鋒面刺穿了。

那么爆轟波除了在爆炸過(guò)程中驅(qū)動(dòng)沖擊波之外還有什么作用呢？

在工程學(xué)上，爆轟波是一種自驅(qū)動(dòng)、具有方向性的能量傳遞機(jī)制。這讓它在工程和軍事應(yīng)用中不僅是“破壞工具”，更是一種控制手段。比如在炸藥中設(shè)計(jì)“導(dǎo)爆索”、“爆速匹配”、“聚能罩”等結(jié)構(gòu)，目的不是簡(jiǎn)單引爆目標(biāo)，而是通過(guò)控制爆轟波的傳播路徑和時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的集中利用與方向性釋放。

更進(jìn)一步，爆轟波還能用來(lái)驅(qū)動(dòng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)。最典型的就是爆轟推進(jìn)技術(shù)（Detonation Propulsion），包括“爆轟波管道引擎”（Pulse Detonation Engine, PDE）與“旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)”（Rotating Detonation Engine, RDE）。這些概念都建立在一個(gè)關(guān)鍵原理上：利用爆轟波前沿的高壓區(qū)作為“活塞”，推動(dòng)氣體或結(jié)構(gòu)前進(jìn)。而且由于爆轟波具有超聲速傳播特性，這使得這些推進(jìn)器理論上能實(shí)現(xiàn)高于常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與熱效率。

在高能物理與核武器設(shè)計(jì)中，爆轟波的意義更是根本性的。比如在原子彈中使用爆轟透鏡（explosive lens）來(lái)把多點(diǎn)爆轟整合為一個(gè)高度對(duì)稱的球形壓縮波，以壓縮钚核心達(dá)到超臨界狀態(tài)。這時(shí)候，爆轟波不僅是炸藥釋放能量的方式，更是形成核爆初始條件的構(gòu)型工具。如果爆轟波不能精確疊加成理想的球面壓縮波，那么核武器就根本無(wú)法成功引爆。

此外，還有一個(gè)很冷門但極端重要的領(lǐng)域——爆轟驅(qū)動(dòng)沖擊誘導(dǎo)材料合成（Shock-induced Synthesis）。一些極端條件下才能形成的材料，例如某些超硬陶瓷、合成金剛石，或者是高速冶金過(guò)程中的納米晶材料，就必須依賴爆轟波產(chǎn)生的高壓高溫瞬態(tài)條件完成。這種情況下，爆轟波就像是一把打開物質(zhì)相變與晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)的鑰匙，是一種極端條件制造工藝的“能量工具”。

目前這個(gè)技術(shù)已經(jīng)可以做到產(chǎn)生恒星級(jí)別物質(zhì)的程度，其實(shí)就是依靠經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的爆轟擊波的“蠻力”直接對(duì)物質(zhì)進(jìn)行擠壓。

在現(xiàn)在，大多數(shù)人類的科研已經(jīng)脫離了常態(tài)化研究，例如你做滑動(dòng)表面潤(rùn)滑，再怎么做也就是讓車子開起來(lái)更省電一點(diǎn)。“常態(tài)化研究”確實(shí)已經(jīng)走到一個(gè)邊際效益遞減的階段，絕大多數(shù)科研都集中在“優(yōu)化已有體系”的細(xì)枝末節(jié)上，比如你提到的潤(rùn)滑研究、能量回收、硅基器件的功耗壓縮等等。它們當(dāng)然有意義，但更多是“0.01%的迭代”，而非范式轉(zhuǎn)移。

而爆轟波，正是少數(shù)還能打開“極端物理?xiàng)l件”的鑰匙之一——它不屬于你平常生活中會(huì)遇到的任何現(xiàn)象。它只在高溫、高壓、高速的極限條件下存在。你無(wú)法通過(guò)“微調(diào)”一步步走到它面前，它不是連續(xù)可達(dá)的領(lǐng)域，而是需要跳躍式手段才能觸及的暴力物理世界。

所以雖然大眾常把“爆轟波”與炸藥、核彈等軍事用途畫等號(hào)，但真正深入的人會(huì)知道，這只是它最表面的用途。在高端材料、物相研究、結(jié)構(gòu)物理、地震工程、深空推進(jìn)、慣性約束核聚變等領(lǐng)域，爆轟波目前都是各種領(lǐng)域中無(wú)法繞開的極端加載工具——而這一切都來(lái)自于爆轟波對(duì)材料聲速的挑戰(zhàn)。