音爆是什么意思成都天空巨響是哪兒來的？（圖）

來源:果殼網(wǎng) 2015-11-26 20:26 http://www.iosapp77.com/ 海峽都市報(bào)電子版

　　2015年11月26日中午，成都的天空傳來三聲巨響，幾乎全市的人都聽到了。隨之傳來了各種猜測，不過并沒有地面爆炸的跡象。最大的可能，看來還是音爆了【揭秘何為音爆】。但音爆是個(gè)啥？

　　1947年10月14日上午，美國西部鳥不拉屎的莫哈維沙漠。這是晴朗的一天，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；然后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(jī)翩然降落在一座荒漠中的機(jī)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），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)超過了音速。

　　查爾斯·E·耶格爾，第一個(gè)超過音速的人。圖片來源：wired.com

飛行中的X-1（原編號(hào)XS-1）。下面的圖紙是第一次超音速飛行的數(shù)據(jù)記錄紙帶。圖片來源：nasa.gov

　　那這聲巨響從何而來？讓我們把視線從天空轉(zhuǎn)向水面。

　　把一粒石子投入水中，水面便會(huì)出現(xiàn)一圈圈漣漪，這是石子擾動(dòng)水面形成的波。再看看航行的船，船頭激起了倒V字型的楔形波紋。在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體與水上行船相似，只不過二維的水面變成了三維的空間，任何在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)擾動(dòng)空氣形成波。

　　這看起來沒什么，但當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度越來越快時(shí)，問題就出現(xiàn)了。空氣中波的運(yùn)動(dòng)速度是有限的，也就是音速，當(dāng)物體的速度達(dá)到音速時(shí)，它激起的那些波就被物體本身趕上了，堆積起來。換句話說，就是空氣分子來不及逃開，被擠壓在了一起。

　　喜歡玩兒水的朋友肯定對(duì)這種場景有所體會(huì)，水是溫柔無形的，不過你如果想玩一下十米跳臺(tái)，那可要小心，如果玩的不甚熟練，不小心肚皮接觸了水面，溫柔的水同樣可以把你“揍”的七暈八素，肚皮青紫。如果玩兒的更驚險(xiǎn)，來個(gè)懸崖跳水，如果姿勢不當(dāng)，那跟跳樓沒什么區(qū)別。如果你沒有類似的體驗(yàn)，可以找個(gè)風(fēng)和日麗的周末，或者碰巧趕上商場大減價(jià)的時(shí)候，去下西單。遠(yuǎn)遠(yuǎn)的你看到有個(gè)美女或帥哥，你想快點(diǎn)兒追上她/他，于是你加快了腳步，很快你就發(fā)現(xiàn)人流成了你的阻礙，行人躲開的速度實(shí)在有限，你心急如焚，甩開膀子疾走。快到一定程度，你就發(fā)現(xiàn)自己再也無力提速了，因?yàn)槿肆髯兂闪巳藟Α?/p>

　　當(dāng)飛機(jī)的速度接近音速，情況與之類似：一堵空氣墻橫在前面。無奈上火的你多么希望自己變身綠巨人，轟隆一聲把人撞得滿天飛，哪怕胳膊上掛著七八個(gè)潮男靚女也阻擋不住你追求愛情的心——恭喜你，你悟到了超音速的真諦。只要?jiǎng)恿ψ銐虺渑妫Y(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，外形足夠合理，被空氣墻裹住的飛機(jī)便會(huì)超過音速。此時(shí)被壓縮到極致的空氣被穿透，產(chǎn)生了激波。

　　激波是什么，很難詳細(xì)解釋，因?yàn)樗婕暗?ldquo;熵、信息、介質(zhì)、場、紊流”等一系列玄而又玄的概念。你只需知道這激波可以造成壓力的劇烈波動(dòng)。這就是莫哈維沙漠上神秘巨響的來源，更通俗的名稱叫做音爆。如果你有幸聽過音爆，你會(huì)注意到它實(shí)際上是由緊鄰的兩聲巨響組成的，這分別代表了空氣被飛機(jī)前部撞開和空氣在飛機(jī)尾部閉合形成的激波。當(dāng)然，由于地面和建筑物的反射，那聲音更像是打雷，綿延不絕。

　　一架美國海軍航空兵藍(lán)天使飛行表演隊(duì)的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)低空超音速掠過海面。超音速形成的激波引起空氣壓力的迅速變化，導(dǎo)致水氣凝結(jié)，形成所謂P-G奇點(diǎn)效應(yīng)（Prandtl–Glauert singularity）。同時(shí)，沖擊波在海面上犁出了一條白浪。圖片來源：NASA.gov

　　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——所幸，飛行員自己不會(huì)被震到，因?yàn)轱w得比聲音快嘛。有一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的傳說，上世紀(jì)五六十年代一家開在美國某空軍基地附近的養(yǎng)雞場老板曾經(jīng)投訴過空軍，因?yàn)樗纳先f只雞都被耍酷的飛行員用音爆震死了。前不久的以巴加沙沖突期間，以色列空軍也曾經(jīng)多次夜間對(duì)加沙城實(shí)施音爆襲擾，有報(bào)道稱震壞了350個(gè)門窗，造成了兒童的恐慌。

　　上圖這架奇形怪狀的丑飛機(jī)是美國諾斯羅普格魯曼公司為研究改變飛機(jī)外形以減小音爆而設(shè)計(jì)的。圖片來源：nasa.gov

　　超音速飛機(jī)造成的音爆很難精確的計(jì)算，這跟飛機(jī)的外形，尺寸，飛行速度，飛行高度以及大氣的特性有關(guān)。不過在上世紀(jì)70年代之前，人們不用太擔(dān)心音爆的問題，因?yàn)橹挥猩贁?shù)軍用飛機(jī)可以突破音速。然而隨著著名的協(xié)和飛機(jī)的問世，音爆這東西突然變得敏感起來。因?yàn)閰f(xié)和是投入商業(yè)運(yùn)行的兩種超音速客機(jī)之一（另一種是前蘇聯(lián)的圖-144，不過使用并不廣泛）。

英國航空的協(xié)和飛機(jī)。圖片來源：wikipedia

　　有人測量過，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窗玻璃上施加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，如果你恰好身處某重金屬搖滾音樂會(huì)的大音箱旁邊，就知道133分貝的聲音會(huì)對(duì) 你產(chǎn)生什么樣的影響了。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，從此天空中不再有超音速客機(jī)的身影。

　　正是因?yàn)槁牭竭^音爆的人相對(duì)較少，所以它引發(fā)的恐慌事件也層出不窮。2006年4月26日，兩架軍用飛機(jī)超音速飛越美國亞利桑那州的尤馬市，當(dāng)?shù)氐?11 報(bào)警電話瞬間被打爆，許多民眾報(bào)告發(fā)生了爆炸或者是地震。其實(shí)如果你仔細(xì)聽，音爆之后總是伴隨著著飛機(jī)飛過的聲音，本駝小時(shí)候一直以為這是飛機(jī)在投炸彈。

　　如果你沒有聽過飛機(jī)的音爆，那也不要緊。其實(shí)音爆經(jīng)常發(fā)生在公園里，很多老大爺喜歡抽陀螺健身，如果不是親眼所見，你很難想象那清脆的啪啪聲是小小皮鞭發(fā)出來的。其實(shí)，這啪啪啪聲就是一次次小小的音爆，因?yàn)楦鶕?jù)觀測，抽鞭子的時(shí)候鞭梢的速度已經(jīng)突破了音速，這也可能是人類最早突破音速的嘗試。