一声巨响,宛如神灵逞威 – 音爆杂谈

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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。

产生原理

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

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

“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。

噪音问题

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。

发现一个声学网站:NTi Audio,感兴趣的可以看看。

Enjoy!

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