聲音會(huì)“爆炸”嗎？

張德良

破解聲爆的形成“密碼”

聲爆是發(fā)生在自然界里的一種物理現(xiàn)象。

現(xiàn)在先讓我們來(lái)看看汽艇在水中航行的情況。由于汽艇航行過(guò)程中對(duì)水產(chǎn)生擾動(dòng)，在水中會(huì)產(chǎn)生水波，水波在汽艇四周向各個(gè)方向擴(kuò)散，同時(shí)，我們?cè)诤叫蟹较騼蓚?cè)可以看到兩道三角形的水痕跡，向外推開(kāi)。

當(dāng)飛行器在空中飛行時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，擾動(dòng)也會(huì)在空氣中產(chǎn)生聲波，這時(shí)空氣中的聲波也會(huì)向飛行器四周擴(kuò)散。

如果是亞聲速飛行（速度比聲速小）飛行器的速度追不上聲波傳播速度。這時(shí)會(huì)像汽艇在水中航行一樣，在空氣中聲波會(huì)向四周各個(gè)方向擴(kuò)散，同時(shí)在尾部產(chǎn)生兩道三角形的氣流痕跡（飛行表演時(shí)我們看見(jiàn)的尾部彩色帶就是氣流痕跡）。

當(dāng)飛行器以聲速或超聲速飛行時(shí)，由于飛行器飛行速度比聲速要快，聲波就不能像亞聲速飛行一樣，向四周各個(gè)方向傳播了，這些聲波會(huì)全部疊加在一起，在飛行器的頭部和突出部形成錐形激波。飛行器在聲速飛行的特殊情況下，錐形激波退化為一個(gè)平面波。

無(wú)論是錐形激波還是平面激波都聚集了大量的聲學(xué)能量。這些能量傳到地面上人們的耳朵里時(shí)，耳鼓膜感受到空氣壓強(qiáng)突然增加，讓人們感受到短暫、而又極其強(qiáng)烈的、雷鳴般的爆炸聲，這就是聲爆（音爆）。

一般說(shuō)來(lái)，超聲速飛行器飛行時(shí)往往會(huì)形成兩道激波：一道激波包裹機(jī)頭前部，另一道激波在機(jī)身后部。它們差不多同時(shí)傳播到地面，并在地面上反射，形成一個(gè) N 形反射激波。因此，在一般情況下，我們?cè)谟龅铰暠瑫r(shí)，常常可能會(huì)聽(tīng)到兩聲“爆炸”聲。

飛行器上“仙氣飄飄的裙子”——聲爆云

伴隨飛行器高速飛行產(chǎn)生聲爆的同時(shí)，飛行器頭部的激波后面的壓力和溫度增高，但在飛行器尾部后面卻會(huì)出現(xiàn)低溫和低壓區(qū)，這就改變了尾部后面的空氣狀態(tài)，使空氣中的水氣在新的條件下發(fā)生凝結(jié)，形成云霧，這就是人們常說(shuō)的“聲爆云（音爆云）”。

聲爆云和錐形激波形狀類(lèi)似，呈現(xiàn)錐形狀， 和飛行器的機(jī)身垂直，通常只能持續(xù)幾秒鐘。但是，并不是在每架飛行器在飛行中都會(huì)產(chǎn)生聲爆云現(xiàn)象。聲爆云的出現(xiàn)不僅和激波強(qiáng)度有關(guān)，還和周?chē)諝獾臍庀髼l件（濕度、溫度、飽和度以及凝結(jié)核等）有密切的關(guān)系。因此，只能在特定的天氣條件下才會(huì)出現(xiàn)聲爆云。

除了飛行器會(huì)產(chǎn)生聲爆外，日常生活中也會(huì)看到聲爆現(xiàn)象。例如， 馬車(chē)夫甩鞭子催馬快跑，公園里人們甩鞭子鍛煉或抽陀螺健身時(shí)， 小小皮鞭都會(huì)發(fā)出的啪啪啪的聲音， 這就是一次次小小的聲爆。盡管人們甩鞭子的手臂速度并不快， 但鞭子的鞭梢速度非常快，可以突破聲速產(chǎn)生聲爆，這也可能是人類(lèi)最早突破聲速的嘗試。

迷惑龍居然自帶鞭子？

人類(lèi)其實(shí)并不是最早產(chǎn)生聲爆現(xiàn)象的物種。1.5 億年前的侏羅紀(jì)有一種叫迷惑龍的恐龍，它體型巨大，臀部可達(dá)4.5 米高，尾巴有十幾米長(zhǎng)，尾巴根部厚度超過(guò)1 米，但是，尾巴尖端卻像現(xiàn)代人的小指一樣細(xì)。這樣秀美的尾巴尖使其尾部過(guò)于脆弱，因此不能攻擊襲擊者。那么它的尾巴的作用是什么呢？科學(xué)家猜想，迷惑龍是用它的尾巴作鞭子，在空氣中甩動(dòng)時(shí)可以發(fā)出巨響，以此嚇走捕食者，甚至在交配時(shí)可以在潛在的配偶面前炫耀，從而獲得青睞。

根據(jù)這一猜想，科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)模型， 對(duì)迷惑龍的尾巴甩動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，還用模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，結(jié)果證明，迷惑龍甩尾巴的速度確實(shí)可能超過(guò)聲速，因此可能會(huì)產(chǎn)生聲爆。

聲爆危害有多大？

超聲速飛行器產(chǎn)生的聲爆的傳播范圍很廣，能量也是非常大的。因?yàn)轱w行器上的激波是附著在機(jī)體上，跟著飛行器一起飛行的。因此在速度和高度都合適的條件下，沿著飛行器飛行軌跡下面，一路上都會(huì)聽(tīng)到聲爆的聲音。例如，當(dāng)飛行器飛行速度是2 倍聲速、高度是3000米時(shí)， 人們可在60千米的范圍內(nèi)都聽(tīng)到聲爆的聲音。

當(dāng)飛行器在低空做超聲速飛行時(shí)，地面上的人們能聽(tīng)到震耳欲聾的巨響，這不僅影響人們的生活和工作，嚴(yán)重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅(jiān)固的建筑物，造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。由于聲爆發(fā)生的時(shí)間短暫，對(duì)戶(hù)外空曠工作的人們影響不大。而對(duì)在室內(nèi)工作的人們來(lái)說(shuō)就不一樣了，盡管在室內(nèi)聲爆的壓強(qiáng)要小很多，但經(jīng)過(guò)壁面多次反射后會(huì)形成共鳴，持續(xù)時(shí)間會(huì)變得較長(zhǎng)，因此，對(duì)室內(nèi)工作的人們影響還是較大的。

如果我們把聲爆的壓強(qiáng)換算成更直觀的聲強(qiáng)：100帕的壓強(qiáng)大約相當(dāng)于133分貝。這時(shí)聲爆引起的噪聲對(duì)人體的傷害還是很?chē)?yán)重的，特別對(duì)人的耳膜會(huì)有傷害。盡管人體能承受的最高噪聲是155分貝，但是臨床醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)，人體在超過(guò)80分貝噪聲環(huán)境下生活和工作時(shí)，就會(huì)有頭痛，焦慮、失眠和血壓升高等癥狀。據(jù)臨床醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)，有50% 的聽(tīng)到聲爆的人們可能會(huì)造成耳聾。

此外，除了對(duì)地面上的人們的身體和生活有影響，聲爆對(duì)飛行器本身也會(huì)造成一定的損壞。如果飛行器長(zhǎng)期多次遭遇聲爆，就會(huì)使機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)性能下降。所以人們一直在努力防止飛行器飛行時(shí)產(chǎn)生聲爆。

影響聲爆產(chǎn)生的因素很多，例如飛行速度、高度、航線(xiàn)和周?chē)臍庀髼l件等。一般而言，人們對(duì)于飛行速度、高度和航線(xiàn)等因素是可以控制的，但對(duì)于氣象條件和接近地面的湍流狀態(tài)等是無(wú)法控制的。目前為了消除飛行器飛行時(shí)產(chǎn)生聲爆，科技人員主要在超聲速飛行器的設(shè)計(jì)、制造和控制等方面，通過(guò)改善飛行器的氣動(dòng)外形、關(guān)鍵部件的材料性能、提高飛行器消音器性能和設(shè)置隔音裝置等。

對(duì)在空曠的地面上工作的人們來(lái)說(shuō)，要防止和減少聲爆危害，基本上沒(méi)有很好的辦法， 因?yàn)榘l(fā)生和感受聲爆的偶然性很大。但對(duì)于生活在經(jīng)常發(fā)生聲爆范圍內(nèi)的人們， 最好的方法只有建造隔音好的、牢固的和窗戶(hù)少的房子。而在航母上指揮艦載機(jī)起飛和降落的工作人員都必須載上耳罩和做好全身保護(hù)。