不明巨響從何來

婁子巖

近期，全國多地出現不明巨響。報道稱，當地居民突然聽到一兩聲巨響，伴隨巨響的還有門窗晃動，玻璃被震裂，甚至車輛都在抖動。人們紛紛猜測，是不是附近發生了地震或者爆炸事件？對此，當地應急管理部門和消防救援部門均表示未接到災害險情和生產安全事故報告，初步判斷巨響的原因為聲爆。那么，聲爆是什么？它是如何產生的？它對生產生活有什么影響呢？

不可小覷的空氣阻力

聲爆，又稱音爆，是飛行器在超聲速飛行時產生的強壓力波傳到地面形成如同雷鳴的爆炸聲。聲速是聲波在介質中的傳播速度，其大小因介質的性質和狀態而異。通常，在1個標準大氣壓和15℃的空氣中，聲速約為 340米/秒（1224千米/時）。右表列舉了部分交通工具和武器裝備的最高運行速度。

從表中可知，轎車、高鐵、磁浮列車、船舶和民航客機的最高運行速度都沒有超過聲速，這是為什么呢？原來，運動的陸上交通工具，要克服地面摩擦力和空氣阻力；運動的水上交通工具，要克服水的阻力和空氣阻力；運動的民航客機，要克服空氣阻力。空氣阻力和交通工具運行速度的二次方成正比，當運行速度提升至原來的兩倍時，受到的空氣阻力是原來的4倍，空氣阻力增長之快使得這些交通工具運行的速度不可能達到或超過聲速。

如何減小空氣阻力呢？到空氣稀薄的地方去。以民航客機為例，隨著飛行高度的上升，飛機周圍的空氣密度逐漸減小，空氣阻力也在減小，所以，民航客機一般在距離地面約1萬米的平流層飛行，這樣能見度較高、受力較平穩、安全系數較高。那么，如果想飛得更快，是不是繼續提升飛行高度就可以呢？并沒有那么簡單。因為當飛行速度接近聲速時，會產生新的阻力—聲障。

聲障—曾經不可逾越的屏障

當飛機的飛行速度低于聲速時，飛機會擠壓、排出周圍的空氣，這時飛機是追不上這些空氣的（圖1）。當飛機的飛行速度接近聲速時，周圍的空氣會被急劇壓縮，出現一個壓縮過程的界面，也就是激波。激波是大氣中的一個間斷面，大量的聲學能量瞬間堆聚在這個很窄的間斷面內，這時空氣的溫度、壓力和密度會急劇升高。當飛機的飛行速度等于聲速時，激波會在機頭處疊加形成一個平面波，與機身垂直，類似一堵能量很大、寬度很窄，高溫、高壓、高密度的空氣墻，這個空氣墻就是聲障（圖2）。

想要突破聲障并不容易。20世紀40年代，某些戰斗機的最大平飛速度已達馬赫數0.5，俯沖時的速度已超過馬赫數0.7，但當飛行速度接近聲速時，戰斗機就會阻力激增，升力下降，速度很難繼續提升；如果強行提速，機翼和尾翼就會嚴重抖振，甚至發生機毀人亡的嚴重情況。當時，聲速被認為是飛機飛行速度的極限，聲障更是不可逾越的屏障。馬赫數是氣流速度與當地聲速之比，當飛機以馬赫數1.2～5.0的速度飛行時，就叫超聲速飛行。

圖1？飛機飛行速度小于聲速時的波系

圖2？飛機飛行速度等于聲速時的波系

為了提高空軍戰斗力，多國持續進行突破聲障的研究，當時主要通過提升飛機發動機動力和改善飛機外形設計等途徑來減小聲障阻力。1947年10月14日，美國用于超聲速飛行研究的火箭飛機X-1首次突破聲障，飛行馬赫數達到1.015。實戰用戰斗機的飛行速度也在20世紀50年代初期超過了聲速。目前，現代軍用飛機大多在馬赫數1.2～5.0飛行，中國的殲-20就是超聲速戰機。目前，超聲速飛行器主要應用于航天、軍事和特殊領域研究。

頗具科幻感的聲爆云

突破聲障后，飛機如果繼續以超聲速飛行，既需要更多的燃料，也需要更大的動力。由此可見，超聲速飛行對航空發動機、航空材料和外形設計等提出了更高的要求。超聲速飛行導致的氣動加熱在飛行馬赫數小于2.5時，機身的鋁合金強度尚可維持；在馬赫數達到3.0后，氣動加熱加劇，機身則須采用耐熱合金材料。另外，高空超聲速飛行時，飛機的航向穩定性會變差，所以把飛機翼面做成薄而短的后掠形或三角形，機身做成尖頭細長形，加大垂直尾翼面積或采用自動化裝置等，都有利于飛機繼續高速飛行。

突破聲障時，飛機前部的氣壓和溫度增高，飛機中后部的氣壓和溫度降低，空氣中的水汽發生凝結而形成云霧，這就是聲爆云（或稱音爆云）。聲爆云一般出現在飛機的中后部，形狀類似激波錐，從機翼前端向四周擴散，具有醒目的視覺效果，頗具科幻感，一般可持續數秒。

聲爆云的產生需要適宜的空氣濕度和溫度條件，并不是每次超聲速飛行都會產生美麗的聲爆云。有時，即便速度沒有達到聲速，也會有聲爆云。這是因為當飛行速度超過馬赫數0.7時，機體的某些突出部位（比如機翼翼尖）的氣流速度就已經超過聲速了，此時只要空氣濕度滿足條件，就可能產生聲爆云，這就是為何一些亞聲速轟炸機同樣可以產生聲爆云的原因。當它們繼續加速并以超聲速飛行時，機體的氣流擾動會更加劇烈，所以在突破聲障時，會產生更大的聲爆云。

聲爆云

巨響從聲爆中來

飛機在超聲速飛行過程中，激波疊加形成以飛機機頭為頂點、向尾部延伸的激波錐，形狀近似圓錐體。機頭的前激波和機尾的后激波同時傳播到地面，人的耳膜受到突然的空氣壓強變化而強烈震蕩，因而會聽到短暫而強烈的爆炸聲，這就是聲爆。由于這兩道激波在地面反射，形成一個N形反射激波，因此人們通常會聽到兩聲巨響，每聲持續約0.2秒。在特殊的地形和天氣情況下，也可能聽到一聲或者三聲巨響。

聲爆的噪聲值約為130分貝。根據國家《聲環境質量標準》，居民住宅區的噪聲限值為白天55分貝，夜間45分貝。突然劇烈響起的、高達130分貝的聲爆確實會對人們造成一定程度的驚嚇，甚至會對聽力造成一些損害。雖然聲爆無法完全避免，但人們可以通過提高飛機飛行高度、調整航線以避開居民區、安裝隔音效果好的門窗等辦法來減少聲爆對正常生產生活的干擾。