轰！原来声音也能看得见？

　　11月3日00：07分左右

　　河南平顶山市区突然传出巨响

　　不少睡梦中的市民被惊醒

　　3日上午

　　平顶山应急管理局发布了相关情况说明

　　原因初步判定为音爆

　　什么是音爆？

　　音爆有什么危害吗？

　　音爆究竟是什么？

　　音爆是发生在自然界里的一种物理现象。

　　我们经常看到汽艇在水中航行时，由于汽艇航行过程中对水产生扰动，在水中会产生水波，水波在汽艇四周向各个方向扩散，同时，我们在航行方向两侧可以看到两道三角形的水痕迹，向外推开。

　　图源：中国科普博览

　　同样的道理，如果给空气一个扰动，声音也会像水一样通过波的形式向外传播，这就是声波。当飞行器在空中飞行时，也会产生扰动，扰动也会在空气中产生声波，这时空气中的声波也会向飞行器四周扩散。

　　如果是亚声速飞行（速度比声速小）飞行器的速度追不上声波传播速度。这时会像汽艇在水中航行一样，在空气中声波会向四周各个方向扩散，同时在尾部产生两道三角形的气流痕迹（飞行表演时我们看见的尾部彩色带就是气流痕迹）。

　　图源：网易新闻视频截图

　　当飞行器以声速或超声速飞行时，由于飞行器飞行速度比声速要快，这些声波会全部叠加在一起，在飞行器的头部和突出部形成锥形激波。飞行器在声速飞行的特殊情况下，锥形激波退化为一个平面波。

　　无论是锥形激波还是平面激波都聚集了大量的声学能量。这些能量传到地面上人们的耳朵里时，耳鼓膜感受到空气压强突然增加，让人们感受到短暂、而又极其强烈的、雷鸣般的爆炸声，这就是音爆（声爆）。

　　图源：中国科普博览

　　一般说来

　　超声速飞行器飞行时往往会形成两道激波

　　一道激波包裹机头前部

　　另一道激波在机身后部

　　它们差不多同时传播到地面

　　并在地面上反射

　　形成一个N形反射激波

　　因此，我们在遇到音爆时

　　常常可能会听到两声“爆炸”声

　　图源：中国科普博览

　　飞行器穿上“婚纱”——音爆云

　　伴随飞行器高速飞行产生音爆的同时，飞行器头部的激波后面的压力和温度增高，但在飞行器尾部后面却会出现低温和低压区，这就改变了尾部后面的空气状态，使空气中的水汽在新的条件下发生凝结，形成云雾，这就是人们常说的“音爆云（声爆云）”。

　　图源：中国科普博览

　　音爆云和锥形激波形状类似，呈现锥形状，和飞行器的机身垂直，通常只能持续几秒钟。但是，并不是在每架飞行器在飞行中都会产生音爆云现象。音爆云的出现不仅和激波强度有关，还和周围空气的气象条件有密切的关系。因此，只能在特定的天气条件下才会出现音爆云。

　　超音速轰炸机的音爆瞬间 图源：海宁科普

　　一架战机正好穿过音障 图源：海宁科普

　　生活中的音爆

　　其实音爆也经常发生在公园里，很多老年人喜欢抽陀螺健身，清脆的啪啪声就是一次次小的音爆。根据观测，抽鞭子的时候鞭梢的速度已经突破了音速。

　　图源：北方晨报

　　2002年《物理评论快报》发表了研究人员对鞭子音爆的产生原因的分析，研究显示鞭鞘的速度能达到2马赫（2倍音速）。据作者计算，尖端的速度能够达到鞭子初始速度的30倍以上。

　　图源：Smarter Every Day鞭鞘产生冲击波

　　音爆有哪些危害？

　　超声速飞行器产生的音爆的传播范围很广，能量也是非常大的。在速度和高度都合适的条件下，沿着飞行器飞行轨迹下面，一路上都会听到音爆的声音。

　　例如，当飞行器飞行速度是2倍声速、高度是3000米时，人们可在60千米的范围内都听到音爆的声音。

　　当飞行器在低空做超声速飞行时，地面上的人们能听到震耳欲聋的巨响，严重的还可能震碎玻璃，甚至损坏不坚固的建筑物。

　　如果我们把音爆的压强换算成更直观的声强：100帕的压强大约相当于133分贝。这时音爆引起的噪声对人体的伤害还是很严重的，特别对人的耳膜会有伤害。

　　如何消除音爆？

　　影响音爆产生的因素很多，例如飞行速度、高度、航线和周围的气象条件等。一般而言，人们对于飞行速度、高度和航线等因素是可以控制的，但对于气象条件和接近地面的湍流状态等是无法控制的。

　　目前为了消除飞行器飞行时产生音爆，科研人员主要在超声速飞行器的设计、制造和控制等方面，通过改善飞行器的气动外形、关键部件的材料性能、提高飞行器消音器性能和设置隔音装置等。

　　资料来源：中科院物理所、海宁科普、中国科普博览

　　整理：董小娴 蔡琳