“神秘巨響”究竟是何人在渡劫？

作者：中科院物理所新媒體中心

審核：羅會仟 中國科學院物理研究所 研究員

“嘭”，大家是否在工作或者學習時被這種突如其來的巨響給嚇到過？

當然，這種聲音產(chǎn)生的原因有很多，比如地震，雷電等自然現(xiàn)象或者化工廠等意外爆炸事故。

但，還有一種特殊并且很常見的情況——音爆。

• 奇怪的爆炸聲？

最近，新聞經(jīng)常報道某些地區(qū)出現(xiàn)來源不明的爆炸聲：

河南平頂山市11月3日凌晨出現(xiàn)神秘巨響，官方判斷為音爆。

22年10月25日，湖南寧鄉(xiāng)多地居民聽到巨響。寧鄉(xiāng)市應(yīng)急管理局稱調(diào)查證實是飛機音爆導致。

22年9月4日，成都上空也出現(xiàn)了巨響，后排除了地震等自然災(zāi)害，當?shù)貧庀缶直硎緸橐舯F(xiàn)象。

除了列舉的這三個例子，很多地區(qū)也都曾報道過音爆導致神秘巨響的情況。

那你會不會好奇音爆到底是什么？能有這么大的威力？

別急，下面就帶大家進入音爆的世界

• 聲音的物理

在介紹音爆之前先給大家介紹一下“音”，即聲音的知識。

首先說說波，按照波傳播的物質(zhì)或能量的不同，波可以分成機械波、電磁波、引力波等。比如，機械波是由機械振動產(chǎn)生并且只能在彈性介質(zhì)中傳播機械能，波的形式包括橫波（波動的方向垂直于傳播方向）和縱波（波動的方向與傳播方向平行）。電磁波是由電磁振蕩產(chǎn)生并且不依靠介質(zhì)傳播光能，波的形式只有橫波。

而聲音本質(zhì)是一種機械波，滿足機械波的性質(zhì)。產(chǎn)生聲音必須需要振動波源，即存在能夠維持振動而不間斷發(fā)出機械波的物體。傳播聲音必須需要介質(zhì)，即機械波傳播所需的物質(zhì)。在介質(zhì)中機械波的速度是由介質(zhì)本身的固有性質(zhì)決定的，不同介質(zhì)中，傳播的速度是不同的。

傳播速度對比|參考資料

那把波對應(yīng)到我們聲音三要素呢？響度（Loudness）就是波的振幅，音調(diào)（Pitch）就是波的頻率，音色（Timbre）就是波的波形。

注：理想的真空情況下，人是無法在真空中聽到手機鬧鈴的。

最后再介紹一下非常有名的多普勒效應(yīng)。它以發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安·多普勒的名字命名，以公式的形式展現(xiàn)給大家就是這樣的

是波在靜止介質(zhì)中的傳播速度，為波源相對于介質(zhì)的速度，為觀察者相對于介質(zhì)的速度，表示波源的頻率。

我來這樣解釋這個公式：火車以恒定速度駛近時，因為汽笛機械波的頻率變大，波被壓縮然后進入你的耳朵，汽笛聲音變得急促。當火車駛向遠方時，因為汽笛機械波的頻率變小，波拉伸然后進入你的耳朵，汽笛聲音變得舒緩。

• 音爆的產(chǎn)生

介紹了“音”，那我們就進入正題：“爆”的產(chǎn)生。

以飛機飛行產(chǎn)生音爆為例：

當飛機飛行時，飛機產(chǎn)生的聲音來自于飛機本身的引擎以及空氣阻力（壓縮空氣）。對于后者，當飛機的速度大于空氣中的聲速（約340m/s）后，由于空氣密度被壓縮的無法向前傳播，飛機表面與空氣之間就產(chǎn)生了一層很薄的壓縮層，壓縮層內(nèi)有很強的非線性效應(yīng)，這個壓縮層也被稱為激波。

激波的產(chǎn)生就可以用我們剛剛提到的多普勒效應(yīng)來解釋，如下圖

波源與波速的對比圖 | 參考資料

飛機（波源）的速度超過聲音（波）的速度以后，飛機的前方的壓縮波會呈現(xiàn)出強疊加的狀態(tài)，而這也就是激波的本質(zhì)：壓縮波的疊加形成的強間斷****區(qū)域。所以激波的形成并不一定需要飛機完全超聲速，只需要壓縮波疊加到一定程度即可。（c）圖的樣子有個好聽的名字：馬赫錐（當波源運動速度高于波速時，波面的包絡(luò)面呈圓錐狀）。

并且有意思的是，我們必須在錐面內(nèi)才能聽到飛機“音爆”的聲音，如果在圓錐以外，比如飛行員，他們就無法聽到聲音。

伴隨著飛機“音爆”的出現(xiàn)也會有一個有趣的現(xiàn)象——“音爆云”，音爆云的學名，叫做“普朗特-格勞厄脫凝結(jié)云”。

這是因為激波層內(nèi)的氣壓會驟增，飛機周圍空氣的水蒸氣會迅速凝結(jié)成小水滴，從而產(chǎn)生云的效果。其實未完全達到聲速的飛機也能產(chǎn)生“音爆云”，因為“音爆云”的關(guān)鍵在于激波層（縮波的疊加而形成的強間斷區(qū)域激波層），而不是超音速。

最后給大家解釋一下為什么有時候能聽到兩聲巨響？

音爆的形成和傳播 | 參考資料

實際情況中，飛機的機頭和尾部會分別產(chǎn)生兩個激波，一個前激波一個后激波。如果飛機的機身比較長，那么這兩個激波互相的影響耦合就比較小，它們會分別到達我們的耳朵中，這樣就能聽到兩聲巨響。如果機身比較短，兩個激波的耦合會很大，基本上會同時達到我們的耳朵中，這樣我們就只能聽到一聲巨響。

• 常見的音爆

我們生活其實到處存在著“音爆”現(xiàn)象：小時候我們拿鞭子抽陀螺的時候，聽到的“啪”的聲音其實就是一個小型“音爆”；大爺大媽在公園甩的鞭子也是一個小型“音爆”。

大家還知道哪些音爆現(xiàn)象呢？

參考資料：

[1] 馬大猷.現(xiàn)代聲學理論基礎(chǔ).科學出版社.2004.3

[2] 張攬月，張明輝.振動與聲基礎(chǔ).哈爾濱工程大學出版社.2016.12.

[3]馮曉強,李占科,宋筆鋒.超音速客機音爆問題初步研究[J].飛行力學,2010,28(06).

[4]王漢權(quán).有趣的“馬赫錐”[J].物理教學,2012,34(09).

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