轟！原來聲音也能看得見？

11月3日00：07分左右

河南平頂山市區(qū)突然傳出巨響

不少睡夢中的市民被驚醒

3日上午

平頂山應急管理局發(fā)布了相關(guān)情況說明

原因初步判定為音爆

什么是音爆？

音爆有什么危害嗎？

音爆究竟是什么？

音爆是發(fā)生在自然界里的一種物理現(xiàn)象。

我們經(jīng)?？吹狡г谒泻叫袝r，由于汽艇航行過程中對水產(chǎn)生擾動，在水中會產(chǎn)生水波，水波在汽艇四周向各個方向擴散，同時，我們在航行方向兩側(cè)可以看到兩道三角形的水痕跡，向外推開。

圖源：中國科普博覽

同樣的道理，如果給空氣一個擾動，聲音也會像水一樣通過波的形式向外傳播，這就是聲波。當飛行器在空中飛行時，也會產(chǎn)生擾動，擾動也會在空氣中產(chǎn)生聲波，這時空氣中的聲波也會向飛行器四周擴散。

如果是亞聲速飛行（速度比聲速?。╋w行器的速度追不上聲波傳播速度。這時會像汽艇在水中航行一樣，在空氣中聲波會向四周各個方向擴散，同時在尾部產(chǎn)生兩道三角形的氣流痕跡（飛行表演時我們看見的尾部彩色帶就是氣流痕跡）。

圖源：網(wǎng)易新聞視頻截圖

當飛行器以聲速或超聲速飛行時，由于飛行器飛行速度比聲速要快，這些聲波會全部疊加在一起，在飛行器的頭部和突出部形成錐形激波。飛行器在聲速飛行的特殊情況下，錐形激波退化為一個平面波。

無論是錐形激波還是平面激波都聚集了大量的聲學能量。這些能量傳到地面上人們的耳朵里時，耳鼓膜感受到空氣壓強突然增加，讓人們感受到短暫、而又極其強烈的、雷鳴般的爆炸聲，這就是音爆（聲爆）。

圖源：中國科普博覽

一般說來

超聲速飛行器飛行時往往會形成兩道激波

一道激波包裹機頭前部

另一道激波在機身后部

它們差不多同時傳播到地面

并在地面上反射

形成一個N形反射激波

因此，我們在遇到音爆時

常?？赡軙牭絻陕暋氨ā甭?/p>

圖源：中國科普博覽

飛行器穿上“婚紗”——音爆云

伴隨飛行器高速飛行產(chǎn)生音爆的同時，飛行器頭部的激波后面的壓力和溫度增高，但在飛行器尾部后面卻會出現(xiàn)低溫和低壓區(qū)，這就改變了尾部后面的空氣狀態(tài)，使空氣中的水汽在新的條件下發(fā)生凝結(jié)，形成云霧，這就是人們常說的“音爆云（聲爆云）”。

圖源：中國科普博覽

音爆云和錐形激波形狀類似，呈現(xiàn)錐形狀，和飛行器的機身垂直，通常只能持續(xù)幾秒鐘。但是，并不是在每架飛行器在飛行中都會產(chǎn)生音爆云現(xiàn)象。音爆云的出現(xiàn)不僅和激波強度有關(guān)，還和周圍空氣的氣象條件有密切的關(guān)系。因此，只能在特定的天氣條件下才會出現(xiàn)音爆云。

超音速轟炸機的音爆瞬間 圖源：海寧科普

一架戰(zhàn)機正好穿過音障 圖源：海寧科普

生活中的音爆

其實音爆也經(jīng)常發(fā)生在公園里，很多老年人喜歡抽陀螺健身，清脆的啪啪聲就是一次次小的音爆。根據(jù)觀測，抽鞭子的時候鞭梢的速度已經(jīng)突破了音速。

圖源：北方晨報

2002年《物理評論快報》發(fā)表了研究人員對鞭子音爆的產(chǎn)生原因的分析，研究顯示鞭鞘的速度能達到2馬赫（2倍音速）。據(jù)作者計算，尖端的速度能夠達到鞭子初始速度的30倍以上。

圖源：Smarter Every Day鞭鞘產(chǎn)生沖擊波

音爆有哪些危害？

超聲速飛行器產(chǎn)生的音爆的傳播范圍很廣，能量也是非常大的。在速度和高度都合適的條件下，沿著飛行器飛行軌跡下面，一路上都會聽到音爆的聲音。

例如，當飛行器飛行速度是2倍聲速、高度是3000米時，人們可在60千米的范圍內(nèi)都聽到音爆的聲音。

當飛行器在低空做超聲速飛行時，地面上的人們能聽到震耳欲聾的巨響，嚴重的還可能震碎玻璃，甚至損壞不堅固的建筑物。

如果我們把音爆的壓強換算成更直觀的聲強：100帕的壓強大約相當于133分貝。這時音爆引起的噪聲對人體的傷害還是很嚴重的，特別對人的耳膜會有傷害。

如何消除音爆？

影響音爆產(chǎn)生的因素很多，例如飛行速度、高度、航線和周圍的氣象條件等。一般而言，人們對于飛行速度、高度和航線等因素是可以控制的，但對于氣象條件和接近地面的湍流狀態(tài)等是無法控制的。

目前為了消除飛行器飛行時產(chǎn)生音爆，科研人員主要在超聲速飛行器的設(shè)計、制造和控制等方面，通過改善飛行器的氣動外形、關(guān)鍵部件的材料性能、提高飛行器消音器性能和設(shè)置隔音裝置等。

資料來源：中科院物理所、海寧科普、中國科普博覽

整理：董小嫻

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責編：木子