[科普中國(guó)]-音爆

“音爆”是物體在空氣中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度向上突破達(dá)到1馬赫臨界點(diǎn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)。通常情況下，多為飛行器在超音速飛行時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)壓力波，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。在突破音障時(shí)伴隨的一個(gè)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(guó)內(nèi)對(duì)這種現(xiàn)象的一個(gè)俗稱，較為嚴(yán)肅一點(diǎn)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(guò)波的形式向外傳播，這就是聲波。我們平時(shí)聽(tīng)見(jiàn)的聲音就是聲波傳入耳內(nèi)使鼓膜震動(dòng)而產(chǎn)生的。當(dāng)飛機(jī)在空中作超音速飛行時(shí)，在機(jī)頭或突出部分，也會(huì)像水中前進(jìn)的快艇一樣出現(xiàn)一種楔形或錐形波，這就是激波。飛機(jī)所發(fā)出的疏密狀的音波無(wú)法跑到飛機(jī)前方，所以就全部疊在機(jī)身后方，形成了圓錐形狀的音錐。當(dāng)它們向外傳播時(shí)便互相干擾和影響，然后匯集成一道包羅機(jī)頭的音爆前激波和一道尾隨機(jī)尾的后激波。這種波雖然可以用上述的楔形水波來(lái)比擬，但有著迥然不同的性質(zhì)。激波的厚度很小，經(jīng)過(guò)波后空氣的壓強(qiáng)、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(wú)論哪個(gè)空間和物體時(shí)，均會(huì)感到這種強(qiáng)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(qiáng)變化，就感覺(jué)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(wú)法改變的。標(biāo)準(zhǔn)音爆常用一個(gè)N形波表示，說(shuō)明飛機(jī)的頭波與尾波強(qiáng)度基本相同，在持續(xù)時(shí)間內(nèi)為均勻膨脹。飛機(jī)的強(qiáng)壓力波引起地面上的壓強(qiáng)變化約為78帕（8公斤力/平方米），持續(xù)時(shí)間約為0.2秒。壓強(qiáng)隨飛行高度增大而減弱，但影響范圍則擴(kuò)大。音爆因時(shí)間短暫，對(duì)地面的影響在戶外一般不大，對(duì)室內(nèi)壓強(qiáng)變化雖小，但經(jīng)多次反射形成共鳴，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，影響頗大。因此，在城市上空，低于1萬(wàn)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(tuán)云霧。

音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)產(chǎn)生的音爆對(duì)地面產(chǎn)生的壓強(qiáng)高達(dá)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(qiáng)換算成更直觀的聲強(qiáng)，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(lè)會(huì)的大音箱旁邊。因此協(xié)和被禁止在陸地上進(jìn)行超音速飛行，這與高昂的營(yíng)運(yùn)費(fèi)用一起直接斷送了這種優(yōu)雅的飛機(jī)的生命，2003年，所有的協(xié)和退出市場(chǎng)，從此天空中不再有超音速客機(jī)的身影?！耙舯钡膹?qiáng)弱以及對(duì)地面影響的大小，與飛機(jī)飛行高度有著直接的關(guān)系。因?yàn)?，激波和水波一樣，距離越遠(yuǎn)，波的強(qiáng)度也越弱。當(dāng)飛機(jī)作低空超音速飛行時(shí)，不但地面的人畜能聽(tīng)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(jiān)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(lái)越弱，當(dāng)超過(guò)一定的高度后，地面基本不會(huì)受到影響1。

有許多人聽(tīng)過(guò)音爆，但是卻很少人看過(guò)它。 當(dāng)飛機(jī)以超過(guò)音速的速度飛行，在飛機(jī)正好要加速穿過(guò)音障時(shí)，在飛機(jī)的周圍，有時(shí)候會(huì)有一團(tuán)云霧形成。這團(tuán)云霧便是之前所說(shuō)的音爆云2。

“音爆”是物體在空氣中運(yùn)動(dòng)的速度突破音速時(shí)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(jī)或其他超音速飛行器跨音速飛行時(shí)造成的。

飛行器飛行造成的音爆可以對(duì)地面產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)飛行器飛行高度不高時(shí)會(huì)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(wú)法承受，有時(shí)甚至連鼻子都會(huì)流血，“讓你在屋內(nèi)發(fā)抖”。與此同時(shí)，巨大的震動(dòng)波還導(dǎo)致墻壁出現(xiàn)裂縫，窗戶碎裂。同時(shí)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(wèn)題。3

首例人類有意識(shí)地突破音爆是在1947年10月14日上午，美國(guó)西部莫哈維沙漠，除了風(fēng)吹過(guò)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(lái)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(jī)翩然降落在一座荒漠中的機(jī)場(chǎng)，從駕駛艙里鉆出來(lái)一位英俊的小伙子，此人名叫耶格爾（C. Yeager），綽號(hào)“大塊頭”的他因?yàn)檫@一聲巨響永留史冊(cè)——他是第一個(gè)把聲音拋在身后的人，剛剛駕駛貝爾X-1型飛機(jī)超過(guò)了音速 。