Ударная волна, скачок уплотнения - распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества.

Классический пример возникновения и распространения ударных волн – опыт по сжатию газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в газ медленно, то по газу со скоростью звука бежит акустическая (упругая) волна сжатия. Если же скорость поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает ударная волна. Скорость распространения ударной волны по невозмущённому газу u_В =(x_ф2 – x_ф1) /(t₂ –t₁) (рис.1) больше, чем скорость движения частицы газа (так называемая массовая скорость), которая совпадает со скоростью поршня u=(x_П2 – x_П1) /(t₂ –t₁). Расстояния между частицами в ударной волне меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то ударная волна образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности и давления р. С течением времени крутизна передней части волны сжатия нарастает, так как возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамических величин, то есть ударная волна.

Законы ударного сжатия. При прохождении газа через ударную волну его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Толщина фронта ударной волны имеет порядок длины свободного пробега молекул, однако при многих теоретических исследованиях можно пренебречь столь малой толщиной и с большой точностью заменить фронт ударной волны поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда название «скачок уплотнения»).

Существуют прямые ударные волны, в которые вещество втекает по нормали к поверхности, и косые ударные волны. Последние возникают, например, при сверхзвуковом движении тел - ракет, спускаемых космических аппаратов, снарядов и др., когда перед телом движется ударная волна. Геометрия ударной волны зависит от формы тела и от др. параметров. Поэтому в системе координат, где волна покоится, газ втекает в каждый элемент её поверхности под своим углом. Если этот угол не прямой, то элемент поверхности представляет собой косую ударную волну. На косой ударной волне претерпевает разрыв нормальная составляющая скорости вещества, но тангенциальная составляющая непрерывна. Следовательно, на косой ударной волне линии тока преломляются.

Ударная волна возникают при взрывах, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д. В начальный момент они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, и представляет собой ударную волну.

Ударная волна в идеальном газе с постоянной теплоёмкостью является наиболее простым случаем распространения ударной волны, так как уравнение состояния имеет предельно простой вид: ε = р /ρ(γ—1), р/ρ = RT /μ_o, где γ = c_p/c_v — отношение теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме, R — универсальная газовая постоянная, μ_o — молекулярный вес. Уравнение ударной адиабаты можно получить в явном виде:

.

Ударная адиабата, или адиабата Гюгоньо Н, отличается от обычной адиабаты Р (адиабаты Пуассона), для которой p₂/p₁ = (V₁/V₂)γ (рис. 1). При ударном сжатии вещества для данного изменения V необходимо большее изменение р, чем при адиабатическом сжатии. Это является следствием необратимости нагревания при ударном сжатии, связанного, в свою очередь, с переходом в тепло кинетической энергии потока, набегающего на фронт ударной волны. В силу соотношения u₀² = V₁²(р₂- р₁) / (V₁ — V₂), скорость ударной волны определяется наклоном прямой, соединяющей точки начального и конечного состояний (рис. 1).

Сущность метода заключается в том, что чувствительность приемника ультразвука находится по величине электрического напряжения, возникающего на выходе приемника под действием ударной волны. Амплитуда волны вычисляется по измеряемой скорости ее распространения. Скорость ударной волны и напряжение на выходе приемника определяются по осциллограмме, фотографируемой с экрана осциллографа. Этот метод пригоден для градуировки пьезоэлектрических приемников ультразвука, имеющих постоянную чувствительность в диапазоне частот 10 – 100 кГц. Блок-схема установки для градуировки миниатюрных цилиндрических приемников ультразвука указанным методом приведена на рис.1.

Ударная труба 1 диаметром 50 мм и толщиной стенки 6 мм состоит из отсеков длиной 500 и 1400 мм. Отсеки разделены диафрагмой 2 из фотопленки, зажатой между фланцами, снабженными уплотнительными резиновыми кольцами. В короткий отсек из баллона 3 подается через редуктор сжатый воздух под давлением около 7 атм, пока диафрагма не прорвется. После этого во второй отсек устремляется волна давления. Чтобы предохранить находящийся во втором отсеке градуируемый приемник 4 от ударов обрывков диафрагмы, между фланцами зажимается вкладыш в виде трубки диаметром 50 мм и длиной 50 мм, затянутой пропаянной латунной сеткой из проволоки 0,5 мм с ячейкой 5x5 мм2. Сетку предохраняет от перебивания проволочек после нескольких прорывов диафрагмы пропайка. Волна давления, распространяясь во втором отсеке трубы, превращается в ударную волну с крутым передним фронтом и пологим спадом давления за фронтом. Давление спадает тем медленнее, чем больше объем первого отсека трубы.