获Nature亮点推荐，中国科学家揭开撕胶带刺耳声之谜

胶带剥离时刺耳声音源自超音速裂纹

胶带从固体表面剥离时发出的尖锐刺耳声是人们日常生活中再熟悉不过的声音，然而这一现象背后的物理机制数十年来一直困扰着科学家。尽管此前研究已发现胶带剥离过程中的“粘滑”机制，并观察到横向裂纹的超音速传播，但尖叫声究竟如何产生始终未有定论。早期研究曾推测是胶带中的弹性波所致，但后续研究发现声音脉冲的数量与横向裂纹数量完全对应，暗示着更为离散的产生机制。

阿卜杜拉国王科技大学Sigurdur T. Thoroddsen课题组的最新研究终于揭开了这一谜底。研究表明，胶带剥离时发出的刺耳声音实际上是一系列微弱冲击波所致，这些冲击波产生于胶粘剂中的细微断裂，当断裂尖端到达胶带边缘时，每个断裂都会产生一个声音脉冲。研究团队利用两个麦克风与两台高速摄像机的同步系统，一台通过透明基底观察胶粘剂中的断裂运动，另一台则利用纹影成像技术捕捉空气中的冲击波前，从而精确定位了压力脉冲的来源。相关论文以“Screeching sound of peeling tape”为题，发表在PhysicalReviewE上，第一作者为Er Qiang Li，被Nature作为研究亮点报道。

实验装置的设计十分精巧（图1）。研究人员将19毫米宽的透明胶带从20毫米厚的玻璃板上快速剥离，玻璃板被固定在一个重型不锈钢支架中以最大程度减少基底运动。手动向上拉拽胶带的同时，使用横向金属杆引导胶带运动，保持约45°的恒定拉拽角度。纹影系统利用两个大型凹面镜和水平刀边，以每秒200万帧的超高速摄像机捕捉空气中声波引起的密度波动。与此同时，第二台高速摄像机通过玻璃基底从下方记录胶粘剂中横向断裂的细节，两个高保真麦克风分别放置在胶带两侧记录声音信号。

图1： 实验装置示意图。(a) 带有底部视角相机的侧视图。(b) 带有沿玻璃板照射的准直纹影光的前视图，以及两个麦克风的位置，分别放置在胶带的两侧。

研究团队的初始假设是，超音速裂纹尖端会发出声波，且该声波应首先到达更靠近裂纹起始点的麦克风（图2a）。然而实际观察结果恰恰相反——更靠近裂纹终点的麦克风首先接收到声音脉冲（图2b）。这一出乎意料的反转暗示声音并非产生于裂纹尖端，而是产生于裂纹到达胶带边缘的瞬间。

图2： 两种竞争的声产生机制示意图。(a) 超音速裂纹尖端向空气中产生冲击波。(b) 实际观察到的机制，其中当每个裂纹到达胶带边缘时产生声音冲击。

同步记录的视频和音频数据提供了确凿证据（图3）。从玻璃底部拍摄的视频清晰地显示，在快速滑移阶段，一系列约220微米宽的横向断裂从胶带一侧向另一侧传播。对应的音频信号显示，只有在这些横向断裂出现的快速滑移阶段才会产生巨大的声音尖峰，而中间的粘滞阶段信号则非常微弱，接近背景噪音。更关键的是，特写视图显示特征压力尖峰只出现在靠近裂纹终点的麦克风中，证明了声音脉冲确实产生于裂纹从胶带侧面退出的位置。

图3： 典型的胶带快速粘滑剥离过程中的同步视频捕捉和声音记录。(a) 通过底部玻璃板拍摄的视频帧，显示了典型的横向裂纹从左向右传播，如红色箭头所示。橙色箭头表示胶带剥离部分的拉动方向。作为比例尺，胶带的附着部分宽19毫米。该帧取自96011帧/秒的视频剪辑。(b) 来自两个麦克风的音频信号，分别放置在胶带的两侧。蓝色曲线对应于靠近裂纹结束的胶带右侧的麦克风，而红色曲线则对应于左侧的麦克风。(c) (b)中第一个滑动阶段的特写视图。

纹影高速视频进一步捕捉到了一系列从胶带边缘冒出的微弱冲击波（图4）。这些冲击波以略高于声速的速度传播，测得速度为355±2米/秒，比20°C时的声速（342米/秒）高出约4%，马赫数约为1.04。冲击波之间的区域没有可见的密度波动，说明声音确实以离散脉冲的形式产生。当裂纹从胶带中部开始向两侧传播时，两侧都会出现微弱的冲击波。研究还发现，声音的振幅与裂纹尖端的速度密切相关（图5）。

图4： 高速视频剪辑中的纹影帧，以200,000帧/秒拍摄，曝光时间100纳秒。它显示了从胶带右侧发出的四个微弱冲击波前（用红色箭头标记）。裂纹从左向右传播，如青色箭头所示。它们在此出现的频率约为37千赫兹。

为何裂纹到达胶带末端时会生成冲击波？研究人员提出了一个精妙的解释：当裂纹超音速传播时，会在胶带与固体之间形成一个局部真空区域。由于裂纹移动速度过快，空气无法立即填充这个空隙，这个真空区域便随着裂纹一起移动，直到它到达胶带边缘并瞬间坍塌，撞击外部静止的空气。裂纹速度在250-600米/秒之间，对应空气中的马赫数为0.7-1.8，处于压缩性显著的区域。真空空隙最初仅约200微米大小，在约0.6微秒内闭合，产生极为突然的压力脉冲，从而形成了我们听到的刺耳尖叫声。

图5： 峰峰值声压与观察到的裂纹速度的关系，使用麦克风在距胶带边缘不同距离处测量。

研究团队总结道，胶带剥离的尖叫声是由一系列微弱冲击波组成的，这些冲击波在滑移阶段的横向断裂带到达胶带边缘时产生。两个麦克风与两台同步高速摄像机的联合使用，使得追踪每个断裂带并揭示其产生冲击波的时刻成为可能。虽然剥离胶带中的弹性波也可能产生一些声音，但成像结果清晰地表明，微弱的冲击波序列主导了整个声学信号。未来研究可采用机械拉拽装置，在恒定角度和拉拽速度下，更系统地探究这一现象。