獲Nature亮點推薦，中國科學家揭開撕膠帶刺耳聲之謎

膠帶剝離時刺耳聲音源自超音速裂紋

膠帶從固體表面剝離時發(fā)出的尖銳刺耳聲是人們?nèi)粘Ｉ钪性偈煜げ贿^的聲音，然而這一現(xiàn)象背后的物理機制數(shù)十年來一直困擾著科學家。盡管此前研究已發(fā)現(xiàn)膠帶剝離過程中的“粘滑”機制，并觀察到橫向裂紋的超音速傳播，但尖叫聲究竟如何產(chǎn)生始終未有定論。早期研究曾推測是膠帶中的彈性波所致，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)聲音脈沖的數(shù)量與橫向裂紋數(shù)量完全對應，暗示著更為離散的產(chǎn)生機制。

阿卜杜拉國王科技大學Sigurdur T. Thoroddsen課題組的最新研究終于揭開了這一謎底。研究表明，膠帶剝離時發(fā)出的刺耳聲音實際上是一系列微弱沖擊波所致，這些沖擊波產(chǎn)生于膠粘劑中的細微斷裂，當斷裂尖端到達膠帶邊緣時，每個斷裂都會產(chǎn)生一個聲音脈沖。研究團隊利用兩個麥克風與兩臺高速攝像機的同步系統(tǒng)，一臺通過透明基底觀察膠粘劑中的斷裂運動，另一臺則利用紋影成像技術捕捉空氣中的沖擊波前，從而精確定位了壓力脈沖的來源。相關論文以“Screeching sound of peeling tape”為題，發(fā)表在PhysicalReviewE上，第一作者為Er Qiang Li，被Nature作為研究亮點報道。

實驗裝置的設計十分精巧（圖1）。研究人員將19毫米寬的透明膠帶從20毫米厚的玻璃板上快速剝離，玻璃板被固定在一個重型不銹鋼支架中以最大程度減少基底運動。手動向上拉拽膠帶的同時，使用橫向金屬桿引導膠帶運動，保持約45°的恒定拉拽角度。紋影系統(tǒng)利用兩個大型凹面鏡和水平刀邊，以每秒200萬幀的超高速攝像機捕捉空氣中聲波引起的密度波動。與此同時，第二臺高速攝像機通過玻璃基底從下方記錄膠粘劑中橫向斷裂的細節(jié)，兩個高保真麥克風分別放置在膠帶兩側記錄聲音信號。

圖1： 實驗裝置示意圖。(a) 帶有底部視角相機的側視圖。(b) 帶有沿玻璃板照射的準直紋影光的前視圖，以及兩個麥克風的位置，分別放置在膠帶的兩側。

研究團隊的初始假設是，超音速裂紋尖端會發(fā)出聲波，且該聲波應首先到達更靠近裂紋起始點的麥克風（圖2a）。然而實際觀察結果恰恰相反——更靠近裂紋終點的麥克風首先接收到聲音脈沖（圖2b）。這一出乎意料的反轉暗示聲音并非產(chǎn)生于裂紋尖端，而是產(chǎn)生于裂紋到達膠帶邊緣的瞬間。

圖2： 兩種競爭的聲產(chǎn)生機制示意圖。(a) 超音速裂紋尖端向空氣中產(chǎn)生沖擊波。(b) 實際觀察到的機制，其中當每個裂紋到達膠帶邊緣時產(chǎn)生聲音沖擊。

同步記錄的視頻和音頻數(shù)據(jù)提供了確鑿證據(jù)（圖3）。從玻璃底部拍攝的視頻清晰地顯示，在快速滑移階段，一系列約220微米寬的橫向斷裂從膠帶一側向另一側傳播。對應的音頻信號顯示，只有在這些橫向斷裂出現(xiàn)的快速滑移階段才會產(chǎn)生巨大的聲音尖峰，而中間的粘滯階段信號則非常微弱，接近背景噪音。更關鍵的是，特寫視圖顯示特征壓力尖峰只出現(xiàn)在靠近裂紋終點的麥克風中，證明了聲音脈沖確實產(chǎn)生于裂紋從膠帶側面退出的位置。

圖3： 典型的膠帶快速粘滑剝離過程中的同步視頻捕捉和聲音記錄。(a) 通過底部玻璃板拍攝的視頻幀，顯示了典型的橫向裂紋從左向右傳播，如紅色箭頭所示。橙色箭頭表示膠帶剝離部分的拉動方向。作為比例尺，膠帶的附著部分寬19毫米。該幀取自96011幀/秒的視頻剪輯。(b) 來自兩個麥克風的音頻信號，分別放置在膠帶的兩側。藍色曲線對應于靠近裂紋結束的膠帶右側的麥克風，而紅色曲線則對應于左側的麥克風。(c) (b)中第一個滑動階段的特寫視圖。

紋影高速視頻進一步捕捉到了一系列從膠帶邊緣冒出的微弱沖擊波（圖4）。這些沖擊波以略高于聲速的速度傳播，測得速度為355±2米/秒，比20°C時的聲速（342米/秒）高出約4%，馬赫數(shù)約為1.04。沖擊波之間的區(qū)域沒有可見的密度波動，說明聲音確實以離散脈沖的形式產(chǎn)生。當裂紋從膠帶中部開始向兩側傳播時，兩側都會出現(xiàn)微弱的沖擊波。研究還發(fā)現(xiàn)，聲音的振幅與裂紋尖端的速度密切相關（圖5）。

圖4： 高速視頻剪輯中的紋影幀，以200,000幀/秒拍攝，曝光時間100納秒。它顯示了從膠帶右側發(fā)出的四個微弱沖擊波前（用紅色箭頭標記）。裂紋從左向右傳播，如青色箭頭所示。它們在此出現(xiàn)的頻率約為37千赫茲。

為何裂紋到達膠帶末端時會生成沖擊波？研究人員提出了一個精妙的解釋：當裂紋超音速傳播時，會在膠帶與固體之間形成一個局部真空區(qū)域。由于裂紋移動速度過快，空氣無法立即填充這個空隙，這個真空區(qū)域便隨著裂紋一起移動，直到它到達膠帶邊緣并瞬間坍塌，撞擊外部靜止的空氣。裂紋速度在250-600米/秒之間，對應空氣中的馬赫數(shù)為0.7-1.8，處于壓縮性顯著的區(qū)域。真空空隙最初僅約200微米大小，在約0.6微秒內(nèi)閉合，產(chǎn)生極為突然的壓力脈沖，從而形成了我們聽到的刺耳尖叫聲。

圖5： 峰峰值聲壓與觀察到的裂紋速度的關系，使用麥克風在距膠帶邊緣不同距離處測量。

研究團隊總結道，膠帶剝離的尖叫聲是由一系列微弱沖擊波組成的，這些沖擊波在滑移階段的橫向斷裂帶到達膠帶邊緣時產(chǎn)生。兩個麥克風與兩臺同步高速攝像機的聯(lián)合使用，使得追蹤每個斷裂帶并揭示其產(chǎn)生沖擊波的時刻成為可能。雖然剝離膠帶中的彈性波也可能產(chǎn)生一些聲音，但成像結果清晰地表明，微弱的沖擊波序列主導了整個聲學信號。未來研究可采用機械拉拽裝置，在恒定角度和拉拽速度下，更系統(tǒng)地探究這一現(xiàn)象。