声音会“爆炸”吗？说一说音爆与音爆云现象

来源：中国科学院力学研究所，作者：张德良。

在一定条件下声音是会“爆炸”的，这就是音爆（或称之为声爆），伴随着音爆还有可能出现音爆云（或称之为声爆云）等一些奇特的现象。那么，什么是音爆和音爆云呢？

音爆与音爆云都是发生在自然界里的一种物理现象。当物体在空中飞行时，物体本身对周围空气会产生强烈压缩，空气压缩所发出的声波向周围传播，传播的速度为声速。依据物体飞行速度的不同，其周围空间里声波所形成的波系有不同的型式（图1）。特别是，当物体以声速或超声速飞行时，声波无法跑到物体的前方，它们就全部叠加在一起，在物体的头部或突出部形成了锥形波。在声速飞行的特殊情况下，锥形波退化为一个平面波，如图1(b) 所示。在这个锥形波的波面上聚集了大量的声学能量，这些能量传到人们耳朵里时，耳鼓膜感受到空气压强突然的变化，让人感受到短暂而极其强烈的雷鸣般的爆炸声，这就是音爆 (Sonic Boom)。伴随物体高速飞行的另外一个奇特现象是：在物体的锥形波的后面出现一团云雾，这就是人们所谓的“音爆云”。

(a) 亚声速飞行时波系

(b) 跨声速飞行时波系

(c) 超声速飞行时波系

图1 飞机在亚、跨、超声速飞行时的声波波系的不同形式

上面提到的锥形波，在力学上称为激波或冲击波。音爆与音爆云现象的产生是和激波密切相关的。那么，什么是激波呢？它是在大气中的一个间断面。大量的能量瞬间堆聚在很窄的间断面内，在间断面后面空气的压力、温度和密度激烈地升高，形成一堵高压、高温和高密度的空气墙，这就是激波，也称为冲击波。图2给出飞机在亚声速和超声速两种飞行状态中，风洞实验给出的波系结构图像。从图2(b) 可以看到，激波不仅在头部形成，也可以在机身的凸起部位形成。

(a) 亚声速飞行波系图

(b) 超声速飞行波系图

图2 飞机在亚、超声速飞行时不同的波系图

当飞行器作跨声速或超声速飞行时，在它的头部或突出部便可能产生激波。一旦飞行器头部或突出部产生激波后，飞行器的气动性能就会发生急剧变化，阻力突增，升力骤降，剧烈振荡，甚至有发生机毁人亡的危险，所以突破声速曾是一件很困难的事，人们也称之为声障。上世纪40年代，力学大师郭永怀先生在国际上首先提出了“上临界马赫数”概念，为航空界突破声障进入超声速飞行时代做出了独特的贡献。

高速飞行的飞行器头部或突出部出现的激波向外传播时，会互相干扰和影响，传到地面时会在地面上反射，形成反射波，反射后激波的强度会继续增加。例如，超声速飞机在16000米高空飞行时，它的激波在地面反射时，引起地面上的压强有可能达到100帕（10公斤力/平方米）以上，持续时间约为0.2秒。激波在地面反射后再传播到地面上的人们耳朵里时，使耳膜感受到强烈震荡，让人们感受到短暂而极其强烈的雷鸣般爆炸声，这就是音爆产生的机制。

一般情况下，超声速飞机飞行时往往会形成两道激波：一道包裹机头的前激波和一道尾随机尾的后激波。这二道激波的强度都差不多，它们会同时传播到地面，并在地面上反射，形成一个N形反射激波（见图3）。因此在一般情况下，我们在遇到音爆时常常可能会听到两声“爆炸”声。

图3 激波在地面上反射形成N形反射波

图4则给出了飞机尾部伴随形成的音爆云图像。当飞机突破声障时，飞机上的激波后面的压力和温度增高，而在飞机尾部会出现低温低压区，这样就改变了原始的大气状态，使其中的水气在新的条件下可能发生凝结，形成云雾。音爆云和激波的波形类似，呈现锥形状，和飞机的机身垂直，通常只能持续几秒钟。不过音爆云并不是在每架飞机的每次飞行中都会产生的现象，它不仅和激波强度有关，还和周围大气的气象条件（湿度、温度、饱和度以及凝结核等）有密切的关系。因此，只能在特定的天气条件下才会出现。

图4 飞机在高速飞行时形成音爆云

除了超声速飞机飞行时会产生音爆外，还有其他方式也可以产生音爆。例如，马车夫甩鞭子催马快跑，公园里人们甩鞭子锻炼时都会产生音爆（见图5），不过这些音爆的影响不大，一般不会引起人们的关注。

图5 人们用甩鞭子方法产生音爆

音爆的能量是很大的。一架飞机作低空超声速飞行时，地面上的人们能听到震耳欲聋的巨响，这不仅影响人们的生活和工作，严重的还可以震碎玻璃，甚至损坏不坚固的建筑物，造成直接的损失。随着飞行高度的增加，这种影响越来越弱，但影响范围则扩大，当超过一定的高度后，地面基本不会受到影响。由于音爆发生的时间短暂，一般对地面上户外工作人们影响不大。但是，在室内就不一样了，尽管在室内音爆压强要小很多，但经过壁面的多次反射形成共鸣，持续时间会变得较长，对室内工作的人们影响还是较大的。

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，特别是对人的耳膜的伤害。虽然人体能承受的最高噪声是155分贝，但是，临床医学发现，人体在超过80分贝噪声环境下生活和工作就会有头痛、焦虑、失眠和血压升高等症状。据临床医学统计，音爆有可能使50%的听到音爆的人造成耳聋。

此外，除了对地面上的人们的身体和生活有影响，音爆对飞机本身也会造成一定的损坏。如果飞机长期多次遭遇音爆，就会使机体金属结构性能下降。所以，人们要努力防止音爆的产生。

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改变的。目前在消除飞机产生音爆方面的努力，主要在超声速飞机的设计、制造和控制等方面，例如改善飞机气动外形、关键部件的材料性能、提高飞机的消音器性能和设置隔音装置等。对于地面上的人们来说，要防止和减少音爆危害，基本上没有很好的办法，因为发生和感受音爆的偶然性很大。对于生活在经常发生音爆范围内的人们，只有建造隔音好的、牢固的和窗户少的房子。而在航母上指挥舰载机起飞和降落的工作人员，都必须戴上耳罩和做好全身保护。