音爆是什麼意思 成都天空巨響是哪兒來的?(圖)

　　2015年11月26日中午，成都的天空傳來三聲巨響，幾乎全市的人都聽到了。隨之傳來了各種猜測，不過並沒有地面爆炸的跡象。最大的可能，看來還是音爆了【揭秘何為音爆】。但音爆是個啥？

　　1947年10月14日上午，美國西部鳥不拉屎的莫哈維沙漠。這是晴朗的一天，除了風吹過裸露的山丘外，只有幾條響尾蛇懶懶的在沙地上畫著S。突然，一聲巨響，真正的晴天霹靂，大地為之顫抖；然後不知道從哪兒冒出來一群奇怪的人，他們歡呼雀躍，把帽子扔上了天。不久之後，一架有著炮彈般外形的橙色小飛機翩然降落在一座荒漠中的機場，從駕駛艙裡鑽出來一位英俊的小夥子，此人名叫耶格爾（C. Yeager），因為這一聲巨響永留史冊——他是第一個把聲音拋在身後的人，剛剛駕駛貝爾X-1型飛機超過了音速。

　　

　　查爾斯·E·耶格爾，第一個超過音速的人。圖片來源：wired.com

飛行中的X-1（原編號XS-1）。下面的圖紙是第一次超音速飛行的數據記錄紙帶。圖片來源：nasa.gov

　　那這聲巨響從何而來？讓我們把視線從天空轉向水面。

　　把一粒石子投入水中，水面便會出現一圈圈漣漪，這是石子擾動水面形成的波。再看看航行的船，船頭激起了倒V字型的楔形波紋。在空氣中運動的物體與水上行船相似，只不過二維的水面變成了三維的空間，任何在空氣中運動的物體都會擾動空氣形成波。

　　這看起來沒什麼，但當物體運動的速度越來越快時，問題就出現了。空氣中波的運動速度是有限的，也就是音速，當物體的速度達到音速時，它激起的那些波就被物體本身趕上了，堆積起來。換句話說，就是空氣分子來不及逃開，被擠壓在了一起。

　　喜歡玩兒水的朋友肯定對這種場景有所體會，水是溫柔無形的，不過你如果想玩一下十米跳臺，那可要小心，如果玩的不甚熟練，不小心肚皮接觸了水面，溫柔的水同樣可以把你「揍」的七暈八素，肚皮青紫。如果玩兒的更驚險，來個懸崖跳水，如果姿勢不當，那跟跳樓沒什麼區別。如果你沒有類似的體驗，可以找個風和日麗的周末，或者碰巧趕上商場大減價的時候，去下西單。遠遠的你看到有個美女或帥哥，你想快點兒追上她/他，於是你加快了腳步，很快你就發現人流成了你的阻礙，行人躲開的速度實在有限，你心急如焚，甩開膀子疾走。快到一定程度，你就發現自己再也無力提速了，因為人流變成了人牆。

　　當飛機的速度接近音速，情況與之類似：一堵空氣牆橫在前面。無奈上火的你多麼希望自己變身綠巨人，轟隆一聲把人撞得滿天飛，哪怕胳膊上掛著七八個潮男靚女也阻擋不住你追求愛情的心——恭喜你，你悟到了超音速的真諦。只要動力足夠充沛，結構足夠結實，外形足夠合理，被空氣牆裹住的飛機便會超過音速。此時被壓縮到極致的空氣被穿透，產生了激波。

　　激波是什麼，很難詳細解釋，因為它涉及到「熵、信息、介質、場、紊流」等一系列玄而又玄的概念。你只需知道這激波可以造成壓力的劇烈波動。這就是莫哈維沙漠上神秘巨響的來源，更通俗的名稱叫做音爆。如果你有幸聽過音爆，你會注意到它實際上是由緊鄰的兩聲巨響組成的，這分別代表了空氣被飛機前部撞開和空氣在飛機尾部閉合形成的激波。當然，由於地面和建築物的反射，那聲音更像是打雷，綿延不絕。

　　一架美國海軍航空兵藍天使飛行表演隊的F/A-18戰鬥機低空超音速掠過海面。超音速形成的激波引起空氣壓力的迅速變化，導致水氣凝結，形成所謂P-G奇點效應（Prandtl–Glauert singularity）。同時，衝擊波在海面上犁出了一條白浪。圖片來源：NASA.gov

　　音爆的能量巨大，一架低空超音速飛行的戰鬥機產生的音爆足以震碎門窗玻璃——所幸，飛行員自己不會被震到，因為飛得比聲音快嘛。有一個未經證實的傳說，上世紀五六十年代一家開在美國某空軍基地附近的養雞場老闆曾經投訴過空軍，因為他的上萬隻雞都被耍酷的飛行員用音爆震死了。前不久的以巴加沙衝突期間，以色列空軍也曾經多次夜間對加沙城實施音爆襲擾，有報導稱震壞了350個門窗，造成了兒童的恐慌。

　　

　　上圖這架奇形怪狀的醜飛機是美國諾斯羅普格魯曼公司為研究改變飛機外形以減小音爆而設計的。圖片來源：nasa.gov

　　超音速飛機造成的音爆很難精確的計算，這跟飛機的外形，尺寸，飛行速度，飛行高度以及大氣的特性有關。不過在上世紀70年代之前，人們不用太擔心音爆的問題，因為只有少數軍用飛機可以突破音速。然而隨著著名的協和飛機的問世，音爆這東西突然變得敏感起來。因為協和是投入商業運行的兩種超音速客機之一（另一種是前蘇聯的圖-144，不過使用並不廣泛）。

　　

英國航空的協和飛機。圖片來源：wikipedia

　　有人測量過，一架在 16000米高空以兩倍音速飛行的協和客機產生的音爆對地面產生的壓強高達100帕，相當於給一塊一平米左右的窗玻璃上施加10公斤的力，玻璃譁譁直響就不難解釋了。我們把壓強換算成更直觀的聲強，100帕大約相當於133分貝，如果你恰好身處某重金屬搖滾音樂會的大音箱旁邊，就知道133分貝的聲音會對 你產生什麼樣的影響了。因此協和被禁止在陸地上進行超音速飛行，這與高昂的營運費用一起直接斷送了這種優雅的飛機的生命，2003年，所有的協和退出市場，從此天空中不再有超音速客機的身影。

　　正是因為聽到過音爆的人相對較少，所以它引發的恐慌事件也層出不窮。2006年4月26日，兩架軍用飛機超音速飛越美國亞利桑那州的尤馬市，當地的911 報警電話瞬間被打爆，許多民眾報告發生了爆炸或者是地震。其實如果你仔細聽，音爆之後總是伴隨著著飛機飛過的聲音，本駝小時候一直以為這是飛機在投炸彈。

　　如果你沒有聽過飛機的音爆，那也不要緊。其實音爆經常發生在公園裡，很多老大爺喜歡抽陀螺健身，如果不是親眼所見，你很難想像那清脆的啪啪聲是小小皮鞭發出來的。其實，這啪啪啪聲就是一次次小小的音爆，因為根據觀測，抽鞭子的時候鞭梢的速度已經突破了音速，這也可能是人類最早突破音速的嘗試。

鞭子抽響的瞬間，就是超音速的瞬間。圖片來源：Jefferson Taft

　　但人類幾乎肯定不是最早的超音速物種。計算機和物理模擬認為，近2億年前的迷惑龍Apatosaurus 神龍甩尾可能就超音速了……　

　　本文原發表在科學松鼠會 http://songshuhui.net/archives/18198，有改動。（瘦駝）