这种声音，我们看得见……

来源:中科院半导体所发布时间:2022-12-091350浏览

文章来源：知识就是力量原文作者：张德良(中国科学院力学研究所)

当你在音乐会或者演唱会现场听到悦耳的歌声时，你一定会感觉到声音是多么优美动听，但是，你会想到声音也会“爆炸”吗？是的，声音在一定条件下会发生可怕的“爆炸”，伴随着声爆（音爆）还有可能出现声爆云（音爆云）等一些奇特的现象。让我们一起认识一下声音“爆炸”产生的现象吧。

破解声爆的形成“密码”

声爆是发生在自然界里的一种物理现象。现在先让我们来看看汽艇在水中航行的情况。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。

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）。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，声波就不能像亚声速飞行一样，向四周各个方向传播了，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，这就是声爆（音爆）。

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，在一般情况下，我们在遇到声爆时，常常可能会听到两声“爆炸”声。

“仙气飘飘的裙子”——声爆云

伴随飞行器高速飞行产生声爆的同时，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，使空气中的水气在新的条件下发生凝结，形成云雾，这就是人们常说的“声爆云（音爆云）”。

声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声爆云现象。声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（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声爆云。

除了飞行器会产生声爆外，日常生活中也会看到声爆现象。例如，马车夫甩鞭子催马快跑，公园里人们甩鞭子锻炼或抽陀螺健身时，小小皮鞭都会发出的啪啪啪的声音，这就是一次次小小的声爆。尽管人们甩鞭子的手臂速度并不快，但鞭子的鞭梢速度非常快，可以突破声速产生声爆，这也可能是人类最早突破声速的尝试。

迷惑龙居然自带鞭子？

人类其实并不是最早产生声爆现象的物种。1.5亿年前的侏罗纪有一种叫迷惑龙的恐龙，它体型巨大，臀部可达4.5米高，尾巴有十几米长，尾巴根部厚度超过1米，但是，尾巴尖端却像现代人的小指一样细。这样秀美的尾巴尖使其尾部过于脆弱，因此不能攻击袭击者。那么它的尾巴的作用是什么呢？科学家猜想，迷惑龙是用它的尾巴作鞭子，在空气中甩动时可以发出巨响，以此吓走捕食者，甚至在交配时可以在潜在的配偶面前炫耀，从而获得青睐。

根据这一猜想，科学家利用计算机和数学模型，对迷惑龙的尾巴甩动进行了计算机模拟，还用模拟实验来验证，结果证明，迷惑龙甩尾巴的速度确实可能超过声速，因此可能会产生声爆。

声爆危害有多大？

超声速飞行器产生的声爆的传播范围很广，能量也是非常大的。因为飞行器上的激波是附着在机体上，跟着飞行器一起飞行的。因此在速度和高度都合适的条件下，沿着飞行器飞行轨迹下面，一路上都会听到声爆的声音。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声爆的声音。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，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，造成直接的经济损失。由于声爆发生的时间短暂，对户外空旷工作的人们影响不大。而对在室内工作的人们来说就不一样了，尽管在室内声爆的压强要小很多，但经过壁面多次反射后会形成共鸣，持续时间会变得较长，因此，对室内工作的人们影响还是较大的。如果我们把声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。这时声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。尽管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时，就会有头痛，焦虑、失眠和血压升高等症状。据临床医学统计，有50%的听到声爆的人们可能会造成耳聋。

此外，除了对地面上的人们的身体和生活有影响，声爆对飞行器本身也会造成一定的损坏。如果飞行器长期多次遭遇声爆，就会使机体金属结构性能下降。所以人们一直在努力防止飞行器飞行时产生声爆。影响声爆产生的因素很多，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声爆，科技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。对在空旷的地面上工作的人们来说，要防止和减少声爆危害，基本上没有很好的办法，因为发生和感受声爆的偶然性很大。但对于生活在经常发生声爆范围内的人们，最好的方法只有建造隔音好的、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载上耳罩和做好全身保护。

本文来自《知识就是力量》杂志，原标题《声音会“爆炸”吗？——声爆与声爆云现象》，作者张德良，有删改，原创作品转载请注明来源。

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编辑：千鸟

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