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一声巨响，宛如神灵逞威 - 音爆杂谈 |
2017-12-05 02:18:00 -0800 |
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音爆（或声爆，英文：Sonic Boom）是在空气中运动的物体速度突破音障时，产生冲击波而伴生的巨大响声。音爆的声音能量巨大，听起来像爆炸一样。超音速的子弹飞过头顶，或者挥动长鞭时也会产生较大的噼啪声，这些是微型的音爆。
通常声爆是由超音速飞行器飞行时造成的，大多数情况下人们听到的音爆来自超音速战斗机，著名的协和客机也以超音速为卖点，但因为各种原因在 2003 年停飞，如今的民航客机一般都低于音速飞行。
音爆的产生主要有两种解释方法。不过在这之前，我们还必须了解一下音障的概念。
音障（Sound Barrier），是一种物理现象。当物体的速度接近音速时，机身对空气的压缩无法迅速传播，能量将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累，最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面 - 激波（Shock Wave）面。激波的形成是超音速飞行的典型特征。激波面将增加空气对飞行器的阻力，这种因为音速造成提升速度的障碍俗称为音障。
了解了音障，第一种解释就很好理解：突破音障时，由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播，逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面，在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时，会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声，也就是音爆。下图来自电影《超人》。
另一种解释更加形象。飞机在以较低速度飞行时产生的声音是向各个方向传播的。由于飞机的快速运动，飞机头部发出的声波受到挤压，而飞机尾部发出的声波则被扩散，集中在一个锥形范围之中。当飞机以音速飞行时，飞行的速度比它发出的声波的速度更快。观察快速行驶的汽艇可以发现，汽艇的速度比它形成的水波快，以致于水波不是在汽艇的周围以圆圈形式传播，而是排成三角形，三角形的顶尖正好与汽艇的头部相重合。对于音速飞行的飞机，由于声波是向各个方向传播的，形成的就不是三角形，而是圆锥形，锥体的顶尖位于机身上。在这个锥体中，飞机的声波被压缩成单个脉冲，这个锥体被飞机“拖着”，并向四周扩散，直至飞机过去后，“锥体”内被压缩的脉冲到达我们的耳朵，于是我们突然感到一个冲力，这就是音爆现象。
“音爆云”，是一种飞行器飞行时的自然现象。当飞行器的速度达到音速（1193公里/小时左右）时，就会压缩周围的空气，从而使空气中的水汽凝结成云。其特征是以飞机为中心轴，从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团。这一效应还有个更专业的说法 - 普朗特 - 格劳厄脱凝结云（Prandtl - Glauert condensation clouds）。下图为 J20 音爆云抓拍。
“音爆云”只在特定的天气条件下才会出现，而且这些由水汽组成的晕轮只能持续几秒钟，它并不总是伴随着音爆现象的产生，同时也不是音障被突破时所产生的冲击波。
所以说音爆常有，而音爆云可遇不可求。
音爆给人们造成的最直接问题就是噪音，而且比人们想象的要严重。
有一种常见的误解，就是认为飞行器飞行中从次音速到超音速只产生一次音爆。实际上，在整个超音速飞行中，音爆在接地区域（Boom Carpet）是一直持续着的，飞机飞到哪里，尾后就会拖着噪音的冲击波，整条航线都会收到噪声的影响。
强烈的音爆可以轻松震碎玻璃，而长期被它骚扰的话，则可能对身心，尤其是听力造成不可逆的伤害。想要测量和捕捉音爆也非易事，必须用到具有脉冲声测量功能的专业声学分析仪。