2009年，美國空軍一架F-22“猛禽”隱身戰(zhàn)斗機飛行時產(chǎn)生的音爆。? RONALD DEJARNETT, U.S. NAVY/HANDOUT/REUTERS/REDUX

利維坦按：

人們對于“音爆”似乎有種常見的誤解，即認為音爆只發(fā)生一次，但實際上，整個超音速飛行中，音爆在接地區(qū)域是一直持續(xù)著的，飛機飛到哪里，尾后就會拖著噪音的沖擊波，所以超音速飛機只能在海上飛行，或者飛到25公里以上的高層大氣，因為在那里近乎真空，大氣密度只有地面的5%以下，否則這條航線沿途必然引起居民的對噪聲的抗議。文中提及的協(xié)和式客機停運，噪音便是因素之一。

消除音爆的一個關(guān)鍵是機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計。2018年，洛克希德·馬丁公司制造了一種低音爆的飛機。這種名為X-59 QueSST的飛機使用了靜音超音速技術(shù)，飛行速度將達到1.42馬赫。據(jù)NASA說，這種飛機的噪音和關(guān)閉轎車門的聲音差不多。

如果你聽到了像雷聲一樣的聲音，而天空中沒有云，那么這種聲音很可能是音爆（Sonic boom）。

所謂音爆，就是當(dāng)飛機或其他物體超過音速時產(chǎn)生的噪音。它的確和雷聲或爆炸一樣響亮，通?？梢赃_到110分貝。隨著SpaceX測試火箭的繼續(xù)，它們在美國佛羅里達州中部的航天海岸越來越常見。

那么，究竟是什么導(dǎo)致了音爆，靠近音爆是否危險？為了理解這些問題，首先我們需要將空氣類比為液體。

什么導(dǎo)致了音爆？

音爆可以由類似子彈和長鞭這樣的小物體產(chǎn)生，也可由火山噴發(fā)、流星雨和地震等自然現(xiàn)象引起。但是，音爆最常與飛機相關(guān)。這是為什么？

這張NASA的圖片描繪了兩架美國飛機以超音速飛行，它們相距約9米，產(chǎn)生的沖擊波相交互，這些沖擊波被聽到時被稱為音爆。? NASA, NAT GEO IMAGE COLLECTION

當(dāng)某物體（比如太空飛船）加速時，它會產(chǎn)生聲波，向各個方向輻射出去，就像投入湖中的鵝卵石產(chǎn)生的漣漪一樣。然而，隨著物體加速，航天器前端的波紋開始堆積壓縮，而不是向外波動。與此同時，聲波繼續(xù)從飛船的側(cè)面和后方向外推開，就像一艘駛過的快艇留下的尾波一樣。

如果航天器繼續(xù)加速，最終它將超過前方聲波的速度，這意味著它已經(jīng)達到了1225公里/小時。

這時，航天器前方積聚了如此多的壓力，導(dǎo)致釋放出一個巨大的聲波，聽起來像一次爆炸。根據(jù)NASA的說法，正是這種“壓力的突然釋放”被我們聽到，才被稱為音爆。

美國F/A-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機形成音爆的瞬間。? Techshots's Newsletter/Substack

什么叫音爆接地區(qū)域？

如果航天器繼續(xù)超過聲速，它將形成一個由受壓空氣分子組成的圓錐形區(qū)域。因此，音爆實際上隨著航天器的移動而移動，將其中的一部分聲波朝向我們可以聽到的地面?zhèn)鞑?。這被稱為“音爆接地區(qū)域”。

有趣的是，音爆區(qū)域的大小與物體的高度成正比，大約每提升304.8米高度，接地的范圍就會增加1.6公里。例如，NASA計算出，一架飛行高度為15.24公里的飛機將產(chǎn)生一個直徑為80.5公里的音爆接地區(qū)域。那些直接位于飛機飛行路徑下方的地方將會聽到的音爆最響，而接地區(qū)域邊緣的地方將會聽到較輕的聲音。

? Tenor

同時，飛機運動或區(qū)域的地理條件也會影響其產(chǎn)生聲波的強度。例如，突然加速、“S”型轉(zhuǎn)彎、山丘和山谷都可以放大音爆的效果。

音爆危險嗎？

音爆的強度以磅力每平方英尺（psf）來衡量，這個數(shù)值會隨著產(chǎn)生音爆的物體大小和速度而增加。

好消息是，在幾乎所有通常聽到音爆的情況下，產(chǎn)生的聲音或超壓（大約為1到2磅）對人體造成的傷害太小，不會引起身體損傷[1]。

《壯志凌云2：獨行俠》（Top Gun: Maverick，2022）劇照。? The Mirror

根據(jù)NASA的說法，當(dāng)超壓達到2至5磅時，可能會對建筑物造成一些損害。這最有可能發(fā)生在大型飛行器或以極低飛行高度飛行的情況下。不過，NASA估計大多數(shù)建筑物都可以承受高達11磅每平方英尺的超壓而不會受到損壞[2]。

按照這些標準，人類的耳膜是安全的：要對耳膜造成損害，必須是航天飛機著陸產(chǎn)生的超壓強度的600倍。

音爆的歷史

太空和航空工業(yè)在某些操作中必須認真考慮音爆的影響。

第一架能夠產(chǎn)生音爆的飛機是貝爾X-1火箭飛機，它在1947年由試飛員查爾斯·“查克”·耶格（Charles “Chuck” Yeager）駕駛時首次突破了音障。這一刻被湯姆·沃爾夫（Tom Wolfe）同名書籍和電影《太空先鋒》（The Right Stuff）永遠銘記在文學(xué)和電影中。

貝爾X-1火箭飛機。? Wikipedia

在那一成就之后的幾年里，飛機制造商希望引領(lǐng)超音速飛行的新時代，到了1976年，一款被稱為“協(xié)和”式（Concorde）的英法噴氣式客機開始定期在大西洋上執(zhí)行商業(yè)航班。憑借突破音障的速度，“協(xié)和”式能夠在僅僅三個半小時內(nèi)將乘客從美國東海岸運送到歐洲，而通常需要八個小時才能完成這一旅程。

協(xié)和式客機在1969年首飛、1976年投入服務(wù)，主要用于執(zhí)行從倫敦希思羅機場（英國航空）和巴黎戴高樂國際機場（法國航空）往返于紐約肯尼迪國際機場的跨大西洋定期航線。該飛機能夠在18000米的高空以2.02倍音速巡航，從巴黎飛到紐約只需約3小時20分鐘。? Steam Community

然而，“協(xié)和”式飛行產(chǎn)生的音爆對該航線下面的居民來說實在是太不友好，到了2003年，該航班服務(wù)被終止。在美國，自1973年起，美國聯(lián)邦航空管理局禁止在陸地上進行超音速飛行，盡管對于軍事和航天機構(gòu)等特定情況仍有例外。

參考文獻：

[1]www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/120274main_FS-016-DFRC.pdf

[2]www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-016-DFRC.html

文/Jason Bittel

譯/tim

校對/兔子的凌波微步

原文/www.nationalgeographic.com/science/article/sonic-boom-cause-shock-wave-physics

本文基于創(chuàng)作共享協(xié)議（BY-NC），由tim在利維坦發(fā)布

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