音爆雲:飛行器行駛産生的現象-中文百科頻道

現象分析

物體運行速度接近音速時,會有一股強大的阻力,使物體産生強烈的振蕩,速度衰減。這一現象被俗稱為音障。突破音障時,由于物體本身對空氣的壓縮無法迅速傳播,逐漸在物體的迎風面積累而終形成激波面,在激波面上聲學能量高度集中。這些能量傳到人們耳朵裡時,會讓人感受到短暫而極其強烈的爆炸聲,稱為音爆。

第二次世界大戰期間，對飛行器嘗試跨越聲速飛行遇到困難的稱為音障。在早期飛機的設計中，由于對跨音速空氣動力學了解尚少，所以曾多次發生飛機試圖超越音速時解體或者失控墜毀的嚴重事故，有人把這一時期困擾飛機制造業的難題也稱為“音障”。這一說法在1950年代以後随着跨聲速飛行的廣泛實現已漸不多見。

除此之外，跨音速飛行常常伴随的一個效應稱為普朗特-格勞厄脫凝結雲，表現為以飛機為中心軸、從機翼前段開始向四周均勻擴散的圓錐狀雲團。這是由于氣流流速突破音速時比空氣傳導速度更快，無法有效向下拉氣流，導緻密度減小，氣壓降低，水氣凝結。

“音爆”是物體在空氣中的相對運動速度向上突破達到1馬赫臨界點時就會出現。通常情況下,多為飛行器在超音速飛行時産生的強壓力波,傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。在突破音障時伴随的一個奇特現象便是“音爆雲”,這是由于在激波面後方由于氣壓增加而壓縮周圍空氣,使水氣凝結形成微小的水珠,看上去就像雲霧一般。這種雲霧通常隻能持續幾秒鐘,激波現身,轉瞬即逝。音爆雲是國内對這種現象的一個俗稱,較為嚴肅一點的描述為普朗特-格勞厄脫凝結雲。

技術原理

在平靜的水面上，如果投一塊石頭，水面上立刻會出現一圈一圈的水波向四周傳播，波及整個水面。但如果是在水面上運動的物體在水中激起的水波是從艇前開始，呈一楔形向外傳播。其前緣密集，波浪很大，而後面波浪就很小。這種波稱為楔形水波。此波随同快船一道前進，波及的範圍始終在楔形之内。

同樣地，對于空氣來說，也有這種現象，如果給空氣一個擾動，聲音也會象水一樣通過波的形式向外傳播，這就是聲波。聲音就是聲波傳入耳内刺激鼓膜産生的。（隻是幫助理解。空氣擾動後的壓力剖面和聲音的震動傳播剖面不是同的）。

當飛機在空中作超音速飛行時，在機頭或突出部分，也會象水中前進的快艇一樣出現一種楔形或錐形波，這就是激波（空氣壓力的分界面）。當它們向外傳播時便互相幹擾和影響。這種波雖然可以用上述的楔形水波來比拟，但有着迥然不同的性質。

激波的形成是超音速飛行的典型特征。激波面将增加空氣對飛行器的阻力，這種因為音速造成提升速度的障礙被俗稱為音障。

飛行器進入超音速飛行形成的激波面，是聲學能量的高度集中面，所以又稱音錐。音錐在聽覺上是一聲短暫而極其強烈（可能超越人耳的聽覺）的爆炸聲，故稱為音爆或聲爆（Sonic Boom）。

影響因素

影響音爆産生的因素很多，例如飛行速度、高度、航線和周圍的氣象條件等。一般而言，人們對于飛行速度、高度和航線等因素是可以控制的，但對于氣象條件和接近地面的湍流狀态等是無法改變的。目前在消除飛機産生音爆方面的努力，主要在超聲速飛機的設計、制造和控制等方面，例如改善飛機氣動外形、關鍵部件的材料性能、提高飛機的消音器性能和設置隔音裝置等。

“音爆”隻有在飛機作超音速飛行時才會出現。當飛機在一定高度下以超音速飛行時，由于激波引起的強烈的壓力變化。便産生了“音爆”。但是飛行員是不會聽到這種響聲的，因為飛行員坐在座艙裡，激波引起的壓強、密度、溫度的變化，飛行員是無法感覺到的。即使座艙不密封。由于飛行員始終處于前激波的後面、後激波的前面，也就是說，他是處在一個暫時的穩定的等壓強的條件下，也是聽不到的。

“音爆”的強弱以及即對地面影響的大小，與飛機飛行高度有着直接的關系。因為，激波和水波一樣，距離越遠，波的強度也越弱。當飛機作低空超音速飛行時，不但地面的人畜能聽到震耳欲聾的巨響，影響人們的生活和工作，嚴重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅固的建築物，造成直接的損失。随着飛行高度的增加，這種影響越來越弱，當超過一定的高度後，地面基本不會受到影響。