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衝撃波(しょうげきは,Shock Wave)は、主に空気中を伝播する、圧力などの不連続な変化のことであり、圧力波の一種である。

◆ 詳細

主に媒質中を超音速で移動する物体の周りに発生し、媒質中の音速よりも速い速度、すなわち超音速で伝播、急速に減衰して最終的には音波となる。

また、波面後方で圧力・温度・密度の上昇する圧縮波であるが、自然界で発生するほとんどの衝撃波は近傍に膨張波を伴っている。

衝撃波の強さは、衝撃波前方と後方の圧力比・温度比・密度比・速度比などで示される。これらの比は衝撃波マッハ数(衝撃波伝播速度を衝撃波前方の音速で割った値)に対してそれぞれ1対1で対応するため、衝撃波マッハ数も衝撃波の強さを示す値として用いられる。なお、理想気体中でのこのような比はランキン・ユゴニオの式によって関係付けられる。

◆ 分類

;垂直衝撃波

:伝播方向に対して波面が垂直なものを指す。形状が単純であることから、各衝撃波の空気力学的解析によく用いられる。

;斜め衝撃波

:伝播方向に対して波面が垂直でないものを指す。図のθがある値θmaxより小さい曲がり角に超音速の流れが進入する際に発生する。このθmaxはマッハ数とともに増加する。なお、θが負の時はプラントル―マイヤー膨張扇と呼ばれる無数に集まったマッハ波が発生する。

:冒頭の図のような円錐状の衝撃波(マッハコーン)はこの斜め衝撃波である。このような場合、波面の角度βはマッハ角μと呼ばれる。

;離脱衝撃波

:θがθmaxより大きくなったときに、曲がり角の手前側に発生する衝撃波。

◆ 発生例

超音速で大気中を飛行する航空機や隕石の周囲には衝撃波が発生する。衝撃波は地上に届くまでに減衰してソニックブームと呼ばれる大きな騒音になるほか、衝撃波そのものによって急激に抗力が増加するため、超音速旅客機開発にとって大きな技術的課題となっている。

また、衝撃波は強度の強い爆発によっても発生する。爆発中心での爆発物の膨張速度が超音速である場合、前述の航空機や隕石の場合と同様に、超音速で膨張する爆発物表面が衝撃波を発生させる。自然界での爆発による衝撃波の例として、火山噴火や雷などが挙げられる。発生した衝撃波は伝播とともに急激に減衰して音波となり、「ドン」という、いわゆる爆発音になる。

◆ 光の衝撃波

音波だけでなく、光(電磁波)においても衝撃波に似た現象が観測される。

媒質中では一般に光速が小さくなるため、これを上回ることが可能になる。光よりも速い速度で荷電粒子が物質中を通過すると物質中の電磁場が乱され、偏極した電子は大量の光子を放射する。こうして観測される電磁放射のことをチェレンコフ放射という。

◆ 脚注

◆ 関連項目

・ 空気力学

・ ソニックブーム

・ マッハ数

・ 衝撃波管

・ 衝撃波自励振動

・ 鞭

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・衝撃波 page1