音爆是什么？它危险吗？

原创 Jason Bittel 利维坦

2009年，美国空军一架F-22“猛禽”隐身战斗机飞行时产生的音爆。© RONALD DEJARNETT, U.S. NAVY/HANDOUT/REUTERS/REDUX

利维坦按：

人们对于“音爆”似乎有种常见的误解，即认为音爆只发生一次，但实际上，整个超音速飞行中，音爆在接地区域是一直持续着的，飞机飞到哪里，尾后就会拖著噪音的冲击波，所以超音速飞机只能在海上飞行，或者飞到25公里以上的高层大气，因为在那里近乎真空，大气密度只有地面的5%以下，否则这条航线沿途必然引起居民的对噪声的抗议。文中提及的协和式客机停运，噪音便是因素之一。

消除音爆的一个关键是机身结构的设计。2018年，洛克希德·马丁公司制造了一种低音爆的飞机。这种名为X-59 QueSST的飞机使用了静音超音速技术，飞行速度将达到1.42马赫。据NASA说，这种飞机的噪音和关闭轿车门的声音差不多。

在网易云音乐搜索【利维坦歌单】，跟上不迷路

我们有一个新号【利维坦行星】，可以关注

如果你听到了像雷声一样的声音，而天空中没有云，那么这种声音很可能是音爆（Sonic boom）。

所谓音爆，就是当飞机或其他物体超过音速时产生的噪音。它的确和雷声或爆炸一样响亮，通常可以达到110分贝。随着SpaceX测试火箭的继续，它们在美国佛罗里达州中部的航天海岸越来越常见。

那么，究竟是什么导致了音爆，靠近音爆是否危险？为了理解这些问题，首先我们需要将空气类比为液体。

什么导致了音爆？

音爆可以由类似子弹和长鞭这样的小物体产生，也可由火山喷发、流星雨和地震等自然现象引起。但是，音爆最常与飞机相关。这是为什么？

这张NASA的图片描绘了两架美国飞机以超音速飞行，它们相距约9米，产生的冲击波相交互，这些冲击波被听到时被称为音爆。© NASA, NAT GEO IMAGE COLLECTION

当某物体（比如太空飞船）加速时，它会产生声波，向各个方向辐射出去，就像投入湖中的鹅卵石产生的涟漪一样。然而，随着物体加速，航天器前端的波纹开始堆积压缩，而不是向外波动。与此同时，声波继续从飞船的侧面和后方向外推开，就像一艘驶过的快艇留下的尾波一样。

如果航天器继续加速，最终它将超过前方声波的速度，这意味着它已经达到了1225公里/小时。

这时，航天器前方积聚了如此多的压力，导致释放出一个巨大的声波，听起来像一次爆炸。根据NASA的说法，正是这种“压力的突然释放”被我们听到，才被称为音爆。

美国F/A-18“大黄蜂”战斗机形成音爆的瞬间。© Techshots's Newsletter/Substack

什么叫音爆接地区域？

如果航天器继续超过声速，它将形成一个由受压空气分子组成的圆锥形区域。因此，音爆实际上随着航天器的移动而移动，将其中的一部分声波朝向我们可以听到的地面传播。这被称为“音爆接地区域”。

有趣的是，音爆区域的大小与物体的高度成正比，大约每提升304.8米高度，接地的范围就会增加1.6公里。例如，NASA计算出，一架飞行高度为15.24公里的飞机将产生一个直径为80.5公里的音爆接地区域。那些直接位于飞机飞行路径下方的地方将会听到的音爆最响，而接地区域边缘的地方将会听到较轻的声音。

© Tenor

同时，飞机运动或区域的地理条件也会影响其产生声波的强度。例如，突然加速、“S”型转弯、山丘和山谷都可以放大音爆的效果。

音爆危险吗？

音爆的强度以磅力每平方英尺（psf）来衡量，这个数值会随着产生音爆的物体大小和速度而增加。

好消息是，在几乎所有通常听到音爆的情况下，产生的声音或超压（大约为1到2磅）对人体造成的伤害太小，不会引起身体损伤[1]。

《壮志凌云2：独行侠》（Top Gun: Maverick，2022）剧照。© The Mirror

根据NASA的说法，当超压达到2至5磅时，可能会对建筑物造成一些损害。这最有可能发生在大型飞行器或以极低飞行高度飞行的情况下。不过，NASA估计大多数建筑物都可以承受高达11磅每平方英尺的超压而不会受到损坏[2]。

按照这些标准，人类的耳膜是安全的：要对耳膜造成损害，必须是航天飞机着陆产生的超压强度的600倍。

在这段视频的结尾，你可以看到较为罕见的火箭发射后产生的音爆画面。

音爆的历史

太空和航空工业在某些操作中必须认真考虑音爆的影响。

第一架能够产生音爆的飞机是贝尔X-1火箭飞机，它在1947年由试飞员查尔斯·“查克”·耶格（Charles “Chuck” Yeager）驾驶时首次突破了音障。这一刻被汤姆·沃尔夫（Tom Wolfe）同名书籍和电影《太空先锋》（The Right Stuff）永远铭记在文学和电影中。

贝尔X-1火箭飞机。© Wikipedia

在那一成就之后的几年里，飞机制造商希望引领超音速飞行的新时代，到了1976年，一款被称为“协和”式（Concorde）的英法喷气式客机开始定期在大西洋上执行商业航班。凭借突破音障的速度，“协和”式能够在仅仅三个半小时内将乘客从美国东海岸运送到欧洲，而通常需要八个小时才能完成这一旅程。

协和式客机在1969年首飞、1976年投入服务，主要用于执行从伦敦希思罗机场（英国航空）和巴黎戴高乐国际机场（法国航空）往返于纽约肯尼迪国际机场的跨大西洋定期航线。该飞机能够在18000米的高空以2.02倍音速巡航，从巴黎飞到纽约只需约3小时20分钟。© Steam Community

然而，“协和”式飞行产生的音爆对该航线下面的居民来说实在是太不友好，到了2003年，该航班服务被终止。在美国，自1973年起，美国联邦航空管理局禁止在陆地上进行超音速飞行，尽管对于军事和航天机构等特定情况仍有例外。

参考文献：

[1]www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/120274main_FS-016-DFRC.pdf

[2]www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-016-DFRC.html

文/Jason Bittel

译/tim

校对/兔子的凌波微步

原文/www.nationalgeographic.com/science/article/sonic-boom-cause-shock-wave-physics

本文基于创作共享协议（BY-NC），由tim在利维坦发布

文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场

原标题：《音爆是什么？它危险吗？》

阅读原文