大气物理学 空气动力学
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可压缩~性
P
空气的可压缩性如何体现？ 在低速飞行时忽略空气可压缩性的影响（Ma<0.4） 在高速飞行时大气的可压缩性不可忽略（Ma>0.4）
1.1 大气的重要物理参数
湿度
大气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。
相对湿度指大气中所含水蒸汽的量与同温度下大 气能含有的水蒸汽最大量之比。
温度越高大气所能含有的水蒸汽最大量越大。
气体动力学的研究对象和研究方法
气体动力学是研究可压缩流体，特别是气体在流 动过程中气体运动的基本规律以及气体与物体之 间相互作用的一门科学。
流体静力学
流体力学
可压缩流体力学
流体动力学
（气体动力学） 不可压缩流体力学
➢ 空气流经飞机机身 ➢ 空气流过发动机的进气道 ➢ 空气流过桨叶（螺旋桨发动机） ➢ 燃气流过尾喷管等 力的作用 热量的交换 机械功的交换
切力作用下，流体会连续不断的变形，但是 不同的流体在相同作用的剪切力下变形的速 度是不同的，也就是不同的流体抵抗剪切力 的能力不同，这种能力成为流体的粘性。
1.1 大气的重要物理参数
粘性力计算公式：
F( / y)• S
μ表示横向速度梯度为 1时，在流层单位接触 面积上产生的粘性力。 称为流体的粘度系数 （动力粘度系数），单 位是Pa·S。
度量单位 标准大气压 101325Pa
大气压随高度增大而 减小。
1.1 大气的重要物理参数
粘性
粘性是流体的固有属性之一。它与物体在介质 中的运动密切相关。
流体的粘性是指流体微团间发生相对滑移时产 生切向阻力的性质。
大气的粘性主要由于气体分子不规则运动造成 的。
粘性 • 流体是不能承受剪切力的，即使在很小的剪
中间层的特点
中间层从离地面50公里到80公里为止。 空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。 空气在垂直方向有强烈的运动。
电离层(热层)的特点
中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。 空气处于高度的电离状态，带有很强的导电性，
能吸收、反射和折射无线电波。 空气温度很高，并随着高度的增加而上升，所以
阵风消失后，飞机恢复原飞 行姿态；
垂直阵风由上向下吹来，速 度减少，迎角减小，升力减 小，瞬间飞机承受较小载荷， 甚至向下的载荷，飞机产生 向下曲线运动，机头下俯。
颠簸的产生？？
飞机迎角的改变对飞机升力的影响较大，可能导致:
1、颠簸
2、受载过大：高速飞行（小迎角状态）遇到垂直向上突 风时应使飞机减速（加大迎角），避免产生过大的气动载 荷。
1.4 气象对飞行活动的影响
阵风对飞机飞行的影响
大气层中空气短时间强烈对流产生的扰动称为阵风。 阵风会随时改变飞机相对气流的速度和迎角 水平阵风、侧向阵风、垂直阵风
* 水平阵风：只改变相对气流的速度对飞行所影响 较小。
* 垂直阵风：既改变相对气流的速度又改变飞机的 迎角。
垂直阵风由下向上吹来，速 度增加，迎角增大，升力增 大，瞬间飞机承受较大载荷， 飞机产生向上曲线运动，机 头上仰；
T (℃)
15.0 8.5 2.0 -4.5 -11.0 -17.5 -24.0 -30.5 -37.0 -43.5 -50.0 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 40.0 70.0 -10.0
a (米/秒)
课程的性质
机务专业一门重要专业基础课
空气动力学基础（ME、AV）
第一章 大气物理学 第二章 空气动力学 第三章 飞行理论 第四章 飞机的稳定性和操纵性
第一章 大气物理学
1.1 大气的重要物理参数 1.2 大气层的构造 1.3 国际标准大气（ISA） 1.4 气象对飞行活动的影响 1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
105 (千克/
米秒)
1.780 1.749 1.717 1.684 1.652 1.619 1.586 1.552 1.517 1.482 1.447 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.912 2.047 1.667
空气动力学
教学安排
➢ 开课学期 3 ➢ 总学时数 36学时 ➢ 适用专业 飞机维修专业（ME、AV） ➢ 首选教材 执照教材 ➢ 参考教材
➢ 简明空气动力学（内部教材） ➢ 空气与气体动力学引论 李凤蔚
西北工业大学出版社
课程大纲说明
本课程与其它课程的联系
主要后续课程： 发动机原理、构造与系统； 飞机结构与系统
国际标准大气的应用
设计飞机时应该按此标准计算飞机的飞行性能，飞 机试飞结果也应该换算成标准大气条件下的结果， 以便分析和比较。
飞机飞行手册中列出的飞行性能数据是在国际标准 大气条件下得出的，要得出实际大气情况下飞机的 飞行性能必须根据实际大气情况对性能数据进行修 正。
这种换算的主要工作是要确定实际大气和国际标准 大气的温度偏差（ISA偏差）。
在同一种介质中，音速的大小只随介质的温度 而变化，空气中的音速计算公式：
a2 p/ 1
a r R T 2 0 .1T ,(T 为 绝 对 温 度 )
Ｒ为气体常数，287J/Kg.K
1.2 大气层的构造
地球大气层
对流层(变温层) 平流层(同温层) 中间层 电离层(热层) 散逸层
0.0006
(千克/
米3)
1.226 1.112 1.007 0.909 0.820 0.737 0.660 0.589 0.526 0.467 0.413 0.364 0.311 0.265 0.227 0.194 0.163 0.141 0.121 0.103 0.088 0.019 0.002 3.9×10-4 8.0×10-5
燃气涡轮喷气发动机
气轮机
飞机加速通过音障
➢ 质量守恒 ➢ 牛顿第二定律 ➢ 热力学第一定律 ➢ 热力学第二定律
研究方法分为：实验研究、理论研究和数值研究
1.1 大气的重要物理参数
按体积计算，氮气78%，氧气21%
密度 温度 压力 粘性 压缩性 湿度 音速
1.1 大气的重要物理参数
212
373.15
纯水的沸点
在标准大气压下，0
纯水的冰点
32
273.15
1.1 大气的重要物理参数
Tc
(TF
32)
5 9
Tk Tc 273 .15
Tc——摄氏温度 Tf——华氏温度 Tk——绝对温度
1.1 大气的重要物理参数
大气压力
Biblioteka Baidu 大气层内空气的压强， 即单位面积上承受的 空气的垂直作用力。 空气重力 空气分子的热运动
又称为热层。空气密度极小，声音已无法传播。
散逸层
大气层的最外层；地心引力小，大气分子散逸于 太空中。
1.3 国际标准大气（ISA）
国际标准大气是由国际民航组织（ICAO）制定的，它 是以北半球中纬度地区大气物理性质的平均值为依据， 加以适当的修正建立的。
国际标准大气具有以下的规定： 大气是静止的、相对湿度为零的，洁净的完全气体， 即服从状态方程。
1.1 大气的重要物理参数
不同流体的粘性系数各不相同，同一流体 的粘性系数也与温度有关。
液体的粘性系数随温度的升高而降低 气体的粘性系数随温度的升高而增大
实际流体都是有粘性的，没有粘性的流体 称为理想流体。
牛顿内摩擦定律
至于粘性系数与温度的关系已被大量的实验所证 明。
液体的粘性系数随温度的增加而下降 气体的粘性系数随温度而增加。
民用运输机的飞行范围
对流层(变温层)的特点
对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里， 在赤道约17公里，在两极约8公里。
在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之 三。大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所 以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产 生在对流层中。
对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流 动，形成水平方向和垂直方向的突风。
340 336 332 329 325 320 316 312 308 304 299 295 295 295 295 295 295 295 295 295 295 295 355 372 325
p10-4 (牛顿/
米2)
10.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.003
3、飞机失速：低速飞行（大迎角状态）遇到垂直向上突 风时应使飞机速度提高（减小迎角），避免飞机大迎角失 速。
侧向阵风：从飞机侧向吹来的阵风；
引起飞机摇晃、摆头等，但对飞行影响不大。
如果飞机飞行速度很大，垂直 阵风对飞机飞行速度影响引起 的升力变化非常小；
垂直阵风改变飞机相对气流的 迎角引起的升力变化很大；
在平流层中，空气只有水平方向的流动。空气稀薄， 几乎没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平流 层。空气质量占整个大气的四分之一不到。
大气能见度好，气流平稳，空气阻力小，对飞行有利。 现代喷气式客机多在11-12km的平流层底层（巡航）飞 行。
水平风
零度
水平风
同温层
20km 11km
中间层、电离层的特点
大气密度
单位体积内空气质量，
m 大气V密度随高度的增
加而减小。
1.1 大气的重要物理参数
大气温度
温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度 的大小。
在11km以下，随高度的增加气温下降，线性变 化。
摄氏温度，华氏温度和绝对温度。
摄氏温度/oC 华氏温度/oF 绝对温度/oK
在标准大气压下，100
p RT
以海平面作为高度计算的起点，即H=0，并且在该处
大气温度288.15K，或15℃ 大气压强1.01325105 帕 大气密度1.225千克/米3 声速340.29m/s
国际标准大气表
H (千米)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 20 30 45 60 75
1.1 大气的重要物理参数
温度升高， 气体粘度系 数增大。
温度升高， 液体粘度 系数减小。
气体
液体
粘度系数随温度变化情况
1.1 大气的重要物理参数
可压缩性
流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度的特 性。
流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。即 在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变化量越 大的物质，可压缩性就越大。
对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的 增加而下降。
11km 0
平流层(同温层)的特点
从对流层顶起到离地面约50公里之间称为平流层。该 层下半部（大约20km以下）的空气温度几乎不变，在 同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零 下56.5度，所以又称为同温层。
同温层之上随着高度的增加，温度逐步升高，直到顶 部温度升高到00C左右。
这种截然相反的结果可用液体的微观结构去阐明。 流体间摩擦的原因是分子间的内聚力、分子和壁面的
附着力及分子不规则的热运动而引起的动量交换，使 部分机械能变为热能。这几种原因对液体与气体的影 响是不同的。 因为液体分子间距增大，内聚力显著下降。而液体分 子动量交换的增加又不足以补偿，故其粘性系数下降。 对于气体则恰恰相反，其分子热运动对粘滞性的影响 居主导地位，当温度增加时，分子热运动更为频繁， 故气体粘性系数随温度而增加。
飞机稳态飞行，有利迎角为 40C，在垂直阵风速度达到飞 机飞行速度的1/10时，引起的 迎角增量可达50C，引起的气 动升力变化可观。
相同风速下，垂直阵风对飞机 飞行造成的影响比水平阵风严 重。
1.4 气象对飞行活动的影响
稳定风场的影响：主要影响飞机的起飞和着陆
1、逆风起飞和着陆，以减小起飞和着陆速度及滑跑距离。
露点温度：使大气的相对湿度达到100%时的温度。
含有水蒸汽的空气比干空气密度小。
1.1 大气的重要物理参数
音速
音速是小扰动在介质中的传播速度（米/秒）。
物体的振动在介质中引起的小扰动会以介质不断 被压缩、膨胀的形式向四周传播，形成介质疏密 交替变化的小扰动波。
音速与传播介质的可压缩性有关。把音速的大 小看成是表示介质压缩性大小的一个指标。
P
空气的可压缩性如何体现？ 在低速飞行时忽略空气可压缩性的影响（Ma<0.4） 在高速飞行时大气的可压缩性不可忽略（Ma>0.4）
1.1 大气的重要物理参数
湿度
大气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。
相对湿度指大气中所含水蒸汽的量与同温度下大 气能含有的水蒸汽最大量之比。
温度越高大气所能含有的水蒸汽最大量越大。
气体动力学的研究对象和研究方法
气体动力学是研究可压缩流体，特别是气体在流 动过程中气体运动的基本规律以及气体与物体之 间相互作用的一门科学。
流体静力学
流体力学
可压缩流体力学
流体动力学
（气体动力学） 不可压缩流体力学
➢ 空气流经飞机机身 ➢ 空气流过发动机的进气道 ➢ 空气流过桨叶（螺旋桨发动机） ➢ 燃气流过尾喷管等 力的作用 热量的交换 机械功的交换
切力作用下，流体会连续不断的变形，但是 不同的流体在相同作用的剪切力下变形的速 度是不同的，也就是不同的流体抵抗剪切力 的能力不同，这种能力成为流体的粘性。
1.1 大气的重要物理参数
粘性力计算公式：
F( / y)• S
μ表示横向速度梯度为 1时，在流层单位接触 面积上产生的粘性力。 称为流体的粘度系数 （动力粘度系数），单 位是Pa·S。
度量单位 标准大气压 101325Pa
大气压随高度增大而 减小。
1.1 大气的重要物理参数
粘性
粘性是流体的固有属性之一。它与物体在介质 中的运动密切相关。
流体的粘性是指流体微团间发生相对滑移时产 生切向阻力的性质。
大气的粘性主要由于气体分子不规则运动造成 的。
粘性 • 流体是不能承受剪切力的，即使在很小的剪
中间层的特点
中间层从离地面50公里到80公里为止。 空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。 空气在垂直方向有强烈的运动。
电离层(热层)的特点
中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。 空气处于高度的电离状态，带有很强的导电性，
能吸收、反射和折射无线电波。 空气温度很高，并随着高度的增加而上升，所以
阵风消失后，飞机恢复原飞 行姿态；
垂直阵风由上向下吹来，速 度减少，迎角减小，升力减 小，瞬间飞机承受较小载荷， 甚至向下的载荷，飞机产生 向下曲线运动，机头下俯。
颠簸的产生？？
飞机迎角的改变对飞机升力的影响较大，可能导致:
1、颠簸
2、受载过大：高速飞行（小迎角状态）遇到垂直向上突 风时应使飞机减速（加大迎角），避免产生过大的气动载 荷。
1.4 气象对飞行活动的影响
阵风对飞机飞行的影响
大气层中空气短时间强烈对流产生的扰动称为阵风。 阵风会随时改变飞机相对气流的速度和迎角 水平阵风、侧向阵风、垂直阵风
* 水平阵风：只改变相对气流的速度对飞行所影响 较小。
* 垂直阵风：既改变相对气流的速度又改变飞机的 迎角。
垂直阵风由下向上吹来，速 度增加，迎角增大，升力增 大，瞬间飞机承受较大载荷， 飞机产生向上曲线运动，机 头上仰；
T (℃)
15.0 8.5 2.0 -4.5 -11.0 -17.5 -24.0 -30.5 -37.0 -43.5 -50.0 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 40.0 70.0 -10.0
a (米/秒)
课程的性质
机务专业一门重要专业基础课
空气动力学基础（ME、AV）
第一章 大气物理学 第二章 空气动力学 第三章 飞行理论 第四章 飞机的稳定性和操纵性
第一章 大气物理学
1.1 大气的重要物理参数 1.2 大气层的构造 1.3 国际标准大气（ISA） 1.4 气象对飞行活动的影响 1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
105 (千克/
米秒)
1.780 1.749 1.717 1.684 1.652 1.619 1.586 1.552 1.517 1.482 1.447 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.912 2.047 1.667
空气动力学
教学安排
➢ 开课学期 3 ➢ 总学时数 36学时 ➢ 适用专业 飞机维修专业（ME、AV） ➢ 首选教材 执照教材 ➢ 参考教材
➢ 简明空气动力学（内部教材） ➢ 空气与气体动力学引论 李凤蔚
西北工业大学出版社
课程大纲说明
本课程与其它课程的联系
主要后续课程： 发动机原理、构造与系统； 飞机结构与系统
国际标准大气的应用
设计飞机时应该按此标准计算飞机的飞行性能，飞 机试飞结果也应该换算成标准大气条件下的结果， 以便分析和比较。
飞机飞行手册中列出的飞行性能数据是在国际标准 大气条件下得出的，要得出实际大气情况下飞机的 飞行性能必须根据实际大气情况对性能数据进行修 正。
这种换算的主要工作是要确定实际大气和国际标准 大气的温度偏差（ISA偏差）。
在同一种介质中，音速的大小只随介质的温度 而变化，空气中的音速计算公式：
a2 p/ 1
a r R T 2 0 .1T ,(T 为 绝 对 温 度 )
Ｒ为气体常数，287J/Kg.K
1.2 大气层的构造
地球大气层
对流层(变温层) 平流层(同温层) 中间层 电离层(热层) 散逸层
0.0006
(千克/
米3)
1.226 1.112 1.007 0.909 0.820 0.737 0.660 0.589 0.526 0.467 0.413 0.364 0.311 0.265 0.227 0.194 0.163 0.141 0.121 0.103 0.088 0.019 0.002 3.9×10-4 8.0×10-5
燃气涡轮喷气发动机
气轮机
飞机加速通过音障
➢ 质量守恒 ➢ 牛顿第二定律 ➢ 热力学第一定律 ➢ 热力学第二定律
研究方法分为：实验研究、理论研究和数值研究
1.1 大气的重要物理参数
按体积计算，氮气78%，氧气21%
密度 温度 压力 粘性 压缩性 湿度 音速
1.1 大气的重要物理参数
212
373.15
纯水的沸点
在标准大气压下，0
纯水的冰点
32
273.15
1.1 大气的重要物理参数
Tc
(TF
32)
5 9
Tk Tc 273 .15
Tc——摄氏温度 Tf——华氏温度 Tk——绝对温度
1.1 大气的重要物理参数
大气压力
Biblioteka Baidu 大气层内空气的压强， 即单位面积上承受的 空气的垂直作用力。 空气重力 空气分子的热运动
又称为热层。空气密度极小，声音已无法传播。
散逸层
大气层的最外层；地心引力小，大气分子散逸于 太空中。
1.3 国际标准大气（ISA）
国际标准大气是由国际民航组织（ICAO）制定的，它 是以北半球中纬度地区大气物理性质的平均值为依据， 加以适当的修正建立的。
国际标准大气具有以下的规定： 大气是静止的、相对湿度为零的，洁净的完全气体， 即服从状态方程。
1.1 大气的重要物理参数
不同流体的粘性系数各不相同，同一流体 的粘性系数也与温度有关。
液体的粘性系数随温度的升高而降低 气体的粘性系数随温度的升高而增大
实际流体都是有粘性的，没有粘性的流体 称为理想流体。
牛顿内摩擦定律
至于粘性系数与温度的关系已被大量的实验所证 明。
液体的粘性系数随温度的增加而下降 气体的粘性系数随温度而增加。
民用运输机的飞行范围
对流层(变温层)的特点
对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里， 在赤道约17公里，在两极约8公里。
在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之 三。大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所 以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产 生在对流层中。
对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流 动，形成水平方向和垂直方向的突风。
340 336 332 329 325 320 316 312 308 304 299 295 295 295 295 295 295 295 295 295 295 295 355 372 325
p10-4 (牛顿/
米2)
10.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.003
3、飞机失速：低速飞行（大迎角状态）遇到垂直向上突 风时应使飞机速度提高（减小迎角），避免飞机大迎角失 速。
侧向阵风：从飞机侧向吹来的阵风；
引起飞机摇晃、摆头等，但对飞行影响不大。
如果飞机飞行速度很大，垂直 阵风对飞机飞行速度影响引起 的升力变化非常小；
垂直阵风改变飞机相对气流的 迎角引起的升力变化很大；
在平流层中，空气只有水平方向的流动。空气稀薄， 几乎没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平流 层。空气质量占整个大气的四分之一不到。
大气能见度好，气流平稳，空气阻力小，对飞行有利。 现代喷气式客机多在11-12km的平流层底层（巡航）飞 行。
水平风
零度
水平风
同温层
20km 11km
中间层、电离层的特点
大气密度
单位体积内空气质量，
m 大气V密度随高度的增
加而减小。
1.1 大气的重要物理参数
大气温度
温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度 的大小。
在11km以下，随高度的增加气温下降，线性变 化。
摄氏温度，华氏温度和绝对温度。
摄氏温度/oC 华氏温度/oF 绝对温度/oK
在标准大气压下，100
p RT
以海平面作为高度计算的起点，即H=0，并且在该处
大气温度288.15K，或15℃ 大气压强1.01325105 帕 大气密度1.225千克/米3 声速340.29m/s
国际标准大气表
H (千米)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 20 30 45 60 75
1.1 大气的重要物理参数
温度升高， 气体粘度系 数增大。
温度升高， 液体粘度 系数减小。
气体
液体
粘度系数随温度变化情况
1.1 大气的重要物理参数
可压缩性
流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度的特 性。
流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。即 在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变化量越 大的物质，可压缩性就越大。
对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的 增加而下降。
11km 0
平流层(同温层)的特点
从对流层顶起到离地面约50公里之间称为平流层。该 层下半部（大约20km以下）的空气温度几乎不变，在 同一纬度处可以近似看作常数，常年平均值为摄氏零 下56.5度，所以又称为同温层。
同温层之上随着高度的增加，温度逐步升高，直到顶 部温度升高到00C左右。
这种截然相反的结果可用液体的微观结构去阐明。 流体间摩擦的原因是分子间的内聚力、分子和壁面的
附着力及分子不规则的热运动而引起的动量交换，使 部分机械能变为热能。这几种原因对液体与气体的影 响是不同的。 因为液体分子间距增大，内聚力显著下降。而液体分 子动量交换的增加又不足以补偿，故其粘性系数下降。 对于气体则恰恰相反，其分子热运动对粘滞性的影响 居主导地位，当温度增加时，分子热运动更为频繁， 故气体粘性系数随温度而增加。
飞机稳态飞行，有利迎角为 40C，在垂直阵风速度达到飞 机飞行速度的1/10时，引起的 迎角增量可达50C，引起的气 动升力变化可观。
相同风速下，垂直阵风对飞机 飞行造成的影响比水平阵风严 重。
1.4 气象对飞行活动的影响
稳定风场的影响：主要影响飞机的起飞和着陆
1、逆风起飞和着陆，以减小起飞和着陆速度及滑跑距离。
露点温度：使大气的相对湿度达到100%时的温度。
含有水蒸汽的空气比干空气密度小。
1.1 大气的重要物理参数
音速
音速是小扰动在介质中的传播速度（米/秒）。
物体的振动在介质中引起的小扰动会以介质不断 被压缩、膨胀的形式向四周传播，形成介质疏密 交替变化的小扰动波。
音速与传播介质的可压缩性有关。把音速的大 小看成是表示介质压缩性大小的一个指标。