聲音會(huì)“爆炸”嗎？說(shuō)一說(shuō)音爆與音爆云現(xiàn)象
在一定條件下聲音是會(huì)“爆炸”的，這就是音爆（或稱(chēng)之為聲爆），伴隨著音爆還有可能出現(xiàn)音爆云（或稱(chēng)之為聲爆云）等一些奇特的現(xiàn)象。那么，什么是音爆和音爆云呢？
音爆與音爆云都是發(fā)生在自然界里的一種物理現(xiàn)象。當(dāng)物體在空中飛行時(shí)，物體本身對(duì)周?chē)諝鈺?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈壓縮，空氣壓縮所發(fā)出的聲波向周?chē)鷤鞑ィ瑐鞑サ乃俣葹槁曀?。依?jù)物體飛行速度的不同，其周?chē)臻g里聲波所形成的波系有不同的型式（圖1）。特別是，當(dāng)物體以聲速或超聲速飛行時(shí)，聲波無(wú)法跑到物體的前方，它們就全部疊加在一起，在物體的頭部或突出部形成了錐形波。在聲速飛行的特殊情況下，錐形波退化為一個(gè)平面波，如圖1(b) 所示。在這個(gè)錐形波的波面上聚集了大量的聲學(xué)能量，這些能量傳到人們耳朵里時(shí)，耳鼓膜感受到空氣壓強(qiáng)突然的變化，讓人感受到短暫而極其強(qiáng)烈的雷鳴般的爆炸聲，這就是音爆 (Sonic Boom)。伴隨物體高速飛行的另外一個(gè)奇特現(xiàn)象是：在物體的錐形波的后面出現(xiàn)一團(tuán)云霧，這就是人們所謂的“音爆云”。
(a)亞聲速飛行時(shí)波系
(b) 跨聲速飛行時(shí)波系
(c) 超聲速飛行時(shí)波系
圖1 飛機(jī)在亞、跨、超聲速飛行時(shí)的聲波波系的不同形式
上面提到的錐形波，在力學(xué)上稱(chēng)為激波或沖擊波。音爆與音爆云現(xiàn)象的產(chǎn)生是和激波密切相關(guān)的。那么，什么是激波呢？它是在大氣中的一個(gè)間斷面。大量的能量瞬間堆聚在很窄的間斷面內(nèi)，在間斷面后面空氣的壓力、溫度和密度激烈地升高，形成一堵高壓、高溫和高密度的空氣墻，這就是激波，也稱(chēng)為沖擊波。圖2給出飛機(jī)在亞聲速和超聲速兩種飛行狀態(tài)中，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)給出的波系結(jié)構(gòu)圖像。從圖2(b) 可以看到，激波不僅在頭部形成，也可以在機(jī)身的凸起部位形成。
(a) 亞聲速飛行波系圖
(b) 超聲速飛行波系圖
圖2 飛機(jī)在亞、超聲速飛行時(shí)不同的波系圖
當(dāng)飛行器作跨聲速或超聲速飛行時(shí)，在它的頭部或突出部便可能產(chǎn)生激波。一旦飛行器頭部或突出部產(chǎn)生激波后，飛行器的氣動(dòng)性能就會(huì)發(fā)生急劇變化，阻力突增，升力驟降，劇烈振蕩，甚至有發(fā)生機(jī)毀人亡的危險(xiǎn)，所以突破聲速曾是一件很困難的事，人們也稱(chēng)之為聲障。上世紀(jì)40年代，力學(xué)大師郭永懷先生在國(guó)際上首先提出了“上臨界馬赫數(shù)”概念，為航空界突破聲障進(jìn)入超聲速飛行時(shí)代做出了獨(dú)特的貢獻(xiàn)。
高速飛行的飛行器頭部或突出部出現(xiàn)的激波向外傳播時(shí)，會(huì)互相干擾和影響，傳到地面時(shí)會(huì)在地面上反射，形成反射波，反射后激波的強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)增加。例如，超聲速飛機(jī)在16000米高空飛行時(shí)，它的激波在地面反射時(shí)，引起地面上的壓強(qiáng)有可能達(dá)到100帕（10公斤力/平方米）以上，持續(xù)時(shí)間約為0.2秒。激波在地面反射后再傳播到地面上的人們耳朵里時(shí)，使耳膜感受到強(qiáng)烈震蕩，讓人們感受到短暫而極其強(qiáng)烈的雷鳴般爆炸聲，這就是音爆產(chǎn)生的機(jī)制。
一般情況下，超聲速飛機(jī)飛行時(shí)往往會(huì)形成兩道激波：一道包裹機(jī)頭的前激波和一道尾隨機(jī)尾的后激波。這二道激波的強(qiáng)度都差不多，它們會(huì)同時(shí)傳播到地面，并在地面上反射，形成一個(gè)N形反射激波（見(jiàn)圖3）。因此在一般情況下，我們?cè)谟龅揭舯瑫r(shí)常?？赡軙?huì)聽(tīng)到兩聲“爆炸”聲。
圖3 激波在地面上反射形成N形反射波
圖4則給出了飛機(jī)尾部伴隨形成的音爆云圖像。當(dāng)飛機(jī)突破聲障時(shí)，飛機(jī)上的激波后面的壓力和溫度增高，而在飛機(jī)尾部會(huì)出現(xiàn)低溫低壓區(qū)，這樣就改變了原始的大氣狀態(tài)，使其中的水氣在新的條件下可能發(fā)生凝結(jié)，形成云霧。音爆云和激波的波形類(lèi)似，呈現(xiàn)錐形狀，和飛機(jī)的機(jī)身垂直，通常只能持續(xù)幾秒鐘。不過(guò)音爆云并不是在每架飛機(jī)的每次飛行中都會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象，它不僅和激波強(qiáng)度有關(guān)，還和周?chē)髿獾臍庀髼l件（濕度、溫度、飽和度以及凝結(jié)核等）有密切的關(guān)系。因此，只能在特定的天氣條件下才會(huì)出現(xiàn)。
圖4 飛機(jī)在高速飛行時(shí)形成音爆云
除了超聲速飛機(jī)飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生音爆外，還有其他方式也可以產(chǎn)生音爆。例如，馬車(chē)夫甩鞭子催馬快跑，公園里人們甩鞭子鍛煉時(shí)都會(huì)產(chǎn)生音爆（見(jiàn)圖5），不過(guò)這些音爆的影響不大，一般不會(huì)引起人們的關(guān)注。
圖5 人們用甩鞭子方法產(chǎn)生音爆
上面談到音爆產(chǎn)生的機(jī)制，現(xiàn)在轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)說(shuō)說(shuō)它的危害。
超聲速飛機(jī)產(chǎn)生的音爆的傳播范圍可以是很廣的。因?yàn)轱w機(jī)上的激波是附著在機(jī)體上，跟著飛機(jī)一起飛行的。因此在速度和高度都合適的條件下，沿著飛機(jī)飛行軌跡下面一路上都會(huì)聽(tīng)到音爆聲，只是聽(tīng)到音爆聲的不是同一個(gè)人而已。例如，飛機(jī)飛行速度是2倍聲速、高度是3000米時(shí)，聽(tīng)到音爆聲的范圍可達(dá)60 千米。
音爆的能量是很大的。一架飛機(jī)作低空超聲速飛行時(shí)，地面上的人們能聽(tīng)到震耳欲聾的巨響，這不僅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，但影響范圍則擴(kuò)大，當(dāng)超過(guò)一定的高度后，地面基本不會(huì)受到影響。由于音爆發(fā)生的時(shí)間短暫，一般對(duì)地面上戶(hù)外工作人們影響不大。但是，在室內(nèi)就不一樣了，盡管在室內(nèi)音爆壓強(qiáng)要小很多，但經(jīng)過(guò)壁面的多次反射形成共鳴，持續(xù)時(shí)間會(huì)變得較長(zhǎng)，對(duì)室內(nèi)工作的人們影響還是較大的。
如果我們把音爆的壓強(qiáng)換算成更直觀的聲強(qiáng)：100帕的壓強(qiáng)大約相當(dāng)于133分貝。這時(shí)音爆引起的噪聲對(duì)人體的傷害還是很?chē)?yán)重的，特別是對(duì)人的耳膜的傷害。雖然人體能承受的最高噪聲是155分貝，但是，臨床醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，人體在超過(guò)80分貝噪聲環(huán)境下生活和工作就會(huì)有頭痛、焦慮、失眠和血壓升高等癥狀。據(jù)臨床醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，音爆有可能使50%的聽(tīng)到音爆的人造成耳聾。
此外，除了對(duì)地面上的人們的身體和生活有影響，音爆對(duì)飛機(jī)本身也會(huì)造成一定的損壞。如果飛機(jī)長(zhǎng)期多次遭遇音爆，就會(huì)使機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)性能下降。所以，人們要努力防止音爆的產(chǎn)生。
影響音爆產(chǎn)生的因素很多，例如飛行速度、高度、航線和周?chē)臍庀髼l件等。一般而言，人們對(duì)于飛行速度、高度和航線等因素是可以控制的，但對(duì)于氣象條件和接近地面的湍流狀態(tài)等是無(wú)法改變的。目前在消除飛機(jī)產(chǎn)生音爆方面的努力，主要在超聲速飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和控制等方面，例如改善飛機(jī)氣動(dòng)外形、關(guān)鍵部件的材料性能、提高飛機(jī)的消音器性能和設(shè)置隔音裝置等。對(duì)于地面上的人們來(lái)說(shuō)，要防止和減少音爆危害，基本上沒(méi)有很好的辦法，因?yàn)榘l(fā)生和感受音爆的偶然性很大。對(duì)于生活在經(jīng)常發(fā)生音爆范圍內(nèi)的人們，只有建造隔音好的、牢固的和窗戶(hù)少的房子。而在航母上指揮艦載機(jī)起飛和降落的工作人員，都必須戴上耳罩和做好全身保護(hù)。
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