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轰!原来声音也能看得见?

来源:蝌蚪五线谱2022-11-04 19:31

  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

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