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2020 年 03 月 26 日 星期 放大 缩小 默认  

天空中的巨响是哪儿来的

余 裕

  有时我们会突然听见天空中传来巨响,不过并没有地面爆炸的迹象,那么最大的可能就是音爆了,但音爆到底是什么呢?

  音爆是怎么来的

  1947年10月14日上午,在美国西部的莫哈维沙漠,除了风吹过裸露的山丘外,只有几条响尾蛇懒懒地在沙地上画着“S”形。突然,一声巨响,大地为之颤抖。然后不知道从哪儿冒出来一群奇怪的人,他们欢呼雀跃,把帽子扔上了天。不久之后,一架橙色小飞机降落在荒漠中的机场,从驾驶舱里钻出来一位英俊的小伙子,此人名叫耶格尔,因为这一声巨响永留史册——他是第一个把声音抛在身后的人,刚刚驾驶贝尔X-1型飞机超过了音速。

  那这声巨响从何而来?让我们把视线从天空转向水面。

  把一粒石子投入水中,水面便会出现一圈圈涟漪,这是石子扰动水面形成的波。再看看航行的船,船头激起了倒“V”字形的楔形波纹。在空气中运动的物体与水上行船相似,只不过二维的水面变成了三维的空间,任何在空气中运动的物体都会扰动空气形成波。

  这看起来没什么,但当物体运动的速度越来越快时,问题就出现了。空气中波的运动速度是有限的,也就是音速,当物体的速度达到音速时,它激起的那些波就被物体本身赶上了,堆积起来。换句话说,就是空气分子来不及逃开,被挤压在了一起。

  喜欢玩水的朋友肯定对这种场景有所体会,水是温柔无形的,不过你如果想玩一下10米跳台,那可要小心,如果玩得不熟练,不小心肚皮接触了水面,温柔的水同样可以把你“揍”得七晕八素,肚皮青紫。

  当飞机的速度接近音速时,情况与之类似:一堵空气墙横在前面。但只要动力足够充沛,结构足够结实,外形足够合理,被空气墙裹住的飞机便会超过音速。此时被压缩到极致的空气被穿透,产生了激波,也就是音爆。

  音爆的能量巨大

  音爆的能量巨大,一架低空超音速飞行的战斗机产生的音爆足以震碎门窗玻璃——所幸,飞行员自己不会被震到,因为他飞得比声音更快。

  超音速飞机造成的音爆很难精确地计算,这跟飞机的外形、尺寸、飞行速度、飞行高度以及大气的特性有关。不过在上世纪70年代之前,人们不用太担心音爆的问题,因为只有少数军用飞机可以突破音速。然而随着著名的协和飞机的问世,音爆突然变得敏感起来。因为协和是投入商业运行的两种超音速客机之一。

  有人测量过,一架在16000米高空以2倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕,相当于给一块1平方米左右的玻璃施加10千克的力,玻璃哗哗直响就不难解释了。把压强换算成更直观的声强,100帕大约相当于133分贝,如果你恰好身处某重金属摇滚音乐会的大音箱旁边,就知道133分贝的声音会对你产生什么样的影响了。因此协和飞机被禁止在陆地上进行超声速飞行。

  身边的音爆现象

  如果你有幸听过音爆,你会注意到它实际上是由紧邻的两声巨响组成的,这分别代表了空气被飞机前部撞开和空气在飞机尾部闭合形成的激波。当然,由于地面和建筑物的反射,那声音更像是打雷,绵延不绝。

  但因为以前听到过音爆的人相对较少,加之人们对它不够了解,所以它引发的恐慌事件也层出不穷。2006年4月26日,两架军用飞机超声速飞越美国亚利桑那州的尤马市,当地的911报警电话瞬间被打爆,许多民众报告发生了爆炸或者是地震。但其实如果仔细听,会发现音爆之后总是伴着飞机飞过的声音。

  如果你没有听过飞机的音爆,那也不要紧。其实音爆经常发生在公园里,很多大爷喜欢抽陀螺健身,如果不是亲眼所见,你很难想象那清脆的啪啪声是小小皮鞭发出来的。其实,这啪啪声就是一次次小小的音爆,因为根据观测,抽鞭子的时候鞭梢的速度已经突破了音速,这也可能是人类最早突破音速的尝试。

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