[科普中國]-音爆

“音爆”是物體在空氣中的相對運動速度向上突破達到1馬赫臨界點時就會出現(xiàn)。通常情況下，多為飛行器在超音速飛行時產(chǎn)生的強壓力波，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。在突破音障時伴隨的一個奇特現(xiàn)象便是“音爆云”，這是由于在激波面后方由于氣壓增加而壓縮周圍空氣，使水氣凝結(jié)形成微小的水珠，看上去就像云霧一般。這種云霧通常只能持續(xù)幾秒鐘，激波現(xiàn)身，轉(zhuǎn)瞬即逝。音爆云是國內(nèi)對這種現(xiàn)象的一個俗稱，較為嚴(yán)肅一點的描述為Prandtl-Glauert condensation clouds(普朗特-格勞厄脫凝結(jié)云)。

聲音在空氣中的傳播像水中投入石子產(chǎn)生的水波一樣，通過波的形式向外傳播，這就是聲波。我們平時聽見的聲音就是聲波傳入耳內(nèi)使鼓膜震動而產(chǎn)生的。當(dāng)飛機在空中作超音速飛行時，在機頭或突出部分，也會像水中前進的快艇一樣出現(xiàn)一種楔形或錐形波，這就是激波。飛機所發(fā)出的疏密狀的音波無法跑到飛機前方，所以就全部疊在機身后方，形成了圓錐形狀的音錐。當(dāng)它們向外傳播時便互相干擾和影響，然后匯集成一道包羅機頭的音爆前激波和一道尾隨機尾的后激波。這種波雖然可以用上述的楔形水波來比擬，但有著迥然不同的性質(zhì)。激波的厚度很小，經(jīng)過波后空氣的壓強、密度、溫度都突然升高，速度立即下降。當(dāng)這兩道激波波及到無論哪個空間和物體時，均會感到這種強烈的變化，反映到人的耳朵里，使耳鼓膜受到突然的空氣壓強變化，就感覺是兩聲雷鳴般的巨響。這種響聲就稱之為“音爆”(sonic boom )。

影響音爆的因素很多，例如飛行速度、高度和航線，這些因素是可以控制的，其他如氣象條件和接近地面的湍流等則是無法改變的。標(biāo)準(zhǔn)音爆常用一個N形波表示，說明飛機的頭波與尾波強度基本相同，在持續(xù)時間內(nèi)為均勻膨脹。飛機的強壓力波引起地面上的壓強變化約為78帕（8公斤力/平方米），持續(xù)時間約為0.2秒。壓強隨飛行高度增大而減弱，但影響范圍則擴大。音爆因時間短暫，對地面的影響在戶外一般不大，對室內(nèi)壓強變化雖小，但經(jīng)多次反射形成共鳴，持續(xù)時間較長，影響頗大。因此，在城市上空，低于1萬米高度常禁止作超音速飛行。 目前最風(fēng)行的理論認(rèn)為，在那瞬間四周空氣壓力驟增，發(fā)生了一種聲波密部疊加效應(yīng)，因此，空氣中的作為介質(zhì)的水氣就凝結(jié)成小水滴形成一團云霧。

音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰(zhàn)斗機產(chǎn)生的音爆足以震碎門窗玻璃。一架在 16000米高空以兩倍音速飛行的協(xié)和客機產(chǎn)生的音爆對地面產(chǎn)生的壓強高達100帕，相當(dāng)于給一塊一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力，玻璃嘩嘩直響就不難解釋了。我們把壓強換算成更直觀的聲強，100帕大約相當(dāng)于133分貝，相當(dāng)于恰好身處某重金屬搖滾音樂會的大音箱旁邊。因此協(xié)和被禁止在陸地上進行超音速飛行，這與高昂的營運費用一起直接斷送了這種優(yōu)雅的飛機的生命，2003年，所有的協(xié)和退出市場，從此天空中不再有超音速客機的身影。“音爆”的強弱以及對地面影響的大小，與飛機飛行高度有著直接的關(guān)系。因為，激波和水波一樣，距離越遠(yuǎn)，波的強度也越弱。當(dāng)飛機作低空超音速飛行時，不但地面的人畜能聽到震耳欲聾的巨響，影響人們的生活和工作，嚴(yán)重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅固的建筑物，造成直接的損失。隨著飛行高度的增加，這種影響越來越弱，當(dāng)超過一定的高度后，地面基本不會受到影響1。

有許多人聽過音爆，但是卻很少人看過它。 當(dāng)飛機以超過音速的速度飛行，在飛機正好要加速穿過音障時，在飛機的周圍，有時候會有一團云霧形成。這團云霧便是之前所說的音爆云2。

“音爆”是物體在空氣中運動的速度突破音速時產(chǎn)生沖擊波所引起的巨大響聲。 通常它是由超音速戰(zhàn)斗機或其他超音速飛行器跨音速飛行時造成的。

飛行器飛行造成的音爆可以對地面產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)飛行器飛行高度不高時會產(chǎn)生巨大的聲響，這種聲響有如地震或重磅炸彈，不僅令耳朵無法承受，有時甚至連鼻子都會流血，“讓你在屋內(nèi)發(fā)抖”。與此同時，巨大的震動波還導(dǎo)致墻壁出現(xiàn)裂縫，窗戶碎裂。同時可以作為一種心理戰(zhàn)術(shù)，導(dǎo)致民眾驚恐失眠，心力耗竭，不知所措，因此出現(xiàn)高血壓、疲倦與失眠等問題。3

首例人類有意識地突破音爆是在1947年10月14日上午，美國西部莫哈維沙漠，除了風(fēng)吹過裸露的山丘外，只有幾條響尾蛇懶懶的在沙地上畫著S。突然，一聲巨響，真正的晴天霹靂，大地為之顫抖，不知道從哪兒冒出來一群奇怪的人，他們歡呼雀躍，把帽子扔上了天。不久之后，一架有著炮彈般外形的橙色小飛機翩然降落在一座荒漠中的機場，從駕駛艙里鉆出來一位英俊的小伙子，此人名叫耶格爾（C. Yeager），綽號“大塊頭”的他因為這一聲巨響永留史冊——他是第一個把聲音拋在身后的人，剛剛駕駛貝爾X-1型飛機超過了音速 。