《力学园地》编辑部： 

　　看到你们“精彩图片”栏目介绍了音爆云，很希望再对音爆和音爆云现象的产生和影响等做更多的说明。谢谢！ 

　　一名在校的大学生 

　　2020.12 

　　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”。 

　　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。 

　　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。 

　　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），不过这些音爆的音响不大，一般不会引起人们的关注。 

　　上面谈到音爆产生的机制，现在转过来说说它的危害。 

　　超声速飞机产生的音爆的传播范围可以很广的。因为飞机上的激波是附着在机体上，跟着飞机一起飞行的。因此在速度和高度都合适的条件下，沿着飞机飞行轨迹下面一路上都会听到音爆声，只是听到音爆声的不是同一个人而已。例如，飞机飞行速度是2倍声速、高度是3000米时，听到音爆声的范围可达60 千米。 

　　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载上耳罩和作好全身保护。