不明巨响从何来

娄子岩

近期，全国多地出现不明巨响。报道称，当地居民突然听到一两声巨响，伴随巨响的还有门窗晃动，玻璃被震裂，甚至车辆都在抖动。人们纷纷猜测，是不是附近发生了地震或者爆炸事件？对此，当地应急管理部门和消防救援部门均表示未接到灾害险情和生产安全事故报告，初步判断巨响的原因为声爆。那么，声爆是什么？它是如何产生的？它对生产生活有什么影响呢？

不可小觑的空气阻力

声爆，又称音爆，是飞行器在超声速飞行时产生的强压力波传到地面形成如同雷鸣的爆炸声。声速是声波在介质中的传播速度，其大小因介质的性质和状态而异。通常，在1个标准大气压和15℃的空气中，声速约为 340米/秒（1224千米/时）。右表列举了部分交通工具和武器装备的最高运行速度。

从表中可知，轿车、高铁、磁浮列车、船舶和民航客机的最高运行速度都没有超过声速，这是为什么呢？原来，运动的陆上交通工具，要克服地面摩擦力和空气阻力；运动的水上交通工具，要克服水的阻力和空气阻力；运动的民航客机，要克服空气阻力。空气阻力和交通工具运行速度的二次方成正比，当运行速度提升至原来的两倍时，受到的空气阻力是原来的4倍，空气阻力增长之快使得这些交通工具运行的速度不可能达到或超过声速。

如何减小空气阻力呢？到空气稀薄的地方去。以民航客机为例，随着飞行高度的上升，飞机周围的空气密度逐渐减小，空气阻力也在减小，所以，民航客机一般在距离地面约1万米的平流层飞行，这样能见度较高、受力较平稳、安全系数较高。那么，如果想飞得更快，是不是继续提升飞行高度就可以呢？并没有那么简单。因为当飞行速度接近声速时，会产生新的阻力—声障。

声障—曾经不可逾越的屏障

当飞机的飞行速度低于声速时，飞机会挤压、排出周围的空气，这时飞机是追不上这些空气的（图1）。当飞机的飞行速度接近声速时，周围的空气会被急剧压缩，出现一个压缩过程的界面，也就是激波。激波是大气中的一个间断面，大量的声学能量瞬间堆聚在这个很窄的间断面内，这时空气的温度、压力和密度会急剧升高。当飞机的飞行速度等于声速时，激波会在机头处叠加形成一个平面波，与机身垂直，类似一堵能量很大、宽度很窄，高温、高压、高密度的空气墙，这个空气墙就是声障（图2）。

想要突破声障并不容易。20世纪40年代，某些战斗机的最大平飞速度已达马赫数0.5，俯冲时的速度已超过马赫数0.7，但当飞行速度接近声速时，战斗机就会阻力激增，升力下降，速度很难继续提升；如果强行提速，机翼和尾翼就会严重抖振，甚至发生机毁人亡的严重情况。当时，声速被认为是飞机飞行速度的极限，声障更是不可逾越的屏障。马赫数是气流速度与当地声速之比，当飞机以马赫数1.2～5.0的速度飞行时，就叫超声速飞行。

图1？飞机飞行速度小于声速时的波系

图2？飞机飞行速度等于声速时的波系

为了提高空军战斗力，多国持续进行突破声障的研究，当时主要通过提升飞机发动机动力和改善飞机外形设计等途径来减小声障阻力。1947年10月14日，美国用于超声速飞行研究的火箭飞机X-1首次突破声障，飞行马赫数达到1.015。实战用战斗机的飞行速度也在20世纪50年代初期超过了声速。目前，现代军用飞机大多在马赫数1.2～5.0飞行，中国的歼-20就是超声速战机。目前，超声速飞行器主要应用于航天、军事和特殊领域研究。

颇具科幻感的声爆云

突破声障后，飞机如果继续以超声速飞行，既需要更多的燃料，也需要更大的动力。由此可见，超声速飞行对航空发动机、航空材料和外形设计等提出了更高的要求。超声速飞行导致的气动加热在飞行马赫数小于2.5时，机身的铝合金强度尚可维持；在马赫数达到3.0后，气动加热加剧，机身则须采用耐热合金材料。另外，高空超声速飞行时，飞机的航向稳定性会变差，所以把飞机翼面做成薄而短的后掠形或三角形，机身做成尖头细长形，加大垂直尾翼面积或采用自动化装置等，都有利于飞机继续高速飞行。

突破声障时，飞机前部的气压和温度增高，飞机中后部的气压和温度降低，空气中的水汽发生凝结而形成云雾，这就是声爆云（或称音爆云）。声爆云一般出现在飞机的中后部，形状类似激波锥，从机翼前端向四周扩散，具有醒目的视觉效果，颇具科幻感，一般可持续数秒。

声爆云的产生需要适宜的空气湿度和温度条件，并不是每次超声速飞行都会产生美丽的声爆云。有时，即便速度没有达到声速，也会有声爆云。这是因为当飞行速度超过马赫数0.7时，機体的某些突出部位（比如机翼翼尖）的气流速度就已经超过声速了，此时只要空气湿度满足条件，就可能产生声爆云，这就是为何一些亚声速轰炸机同样可以产生声爆云的原因。当它们继续加速并以超声速飞行时，机体的气流扰动会更加剧烈，所以在突破声障时，会产生更大的声爆云。

声爆云

巨响从声爆中来

飞机在超声速飞行过程中，激波叠加形成以飞机机头为顶点、向尾部延伸的激波锥，形状近似圆锥体。机头的前激波和机尾的后激波同时传播到地面，人的耳膜受到突然的空气压强变化而强烈震荡，因而会听到短暂而强烈的爆炸声，这就是声爆。由于这两道激波在地面反射，形成一个N形反射激波，因此人们通常会听到两声巨响，每声持续约0.2秒。在特殊的地形和天气情况下，也可能听到一声或者三声巨响。

声爆的噪声值约为130分贝。根据国家《声环境质量标准》，居民住宅区的噪声限值为白天55分贝，夜间45分贝。突然剧烈响起的、高达130分贝的声爆确实会对人们造成一定程度的惊吓，甚至会对听力造成一些损害。虽然声爆无法完全避免，但人们可以通过提高飞机飞行高度、调整航线以避开居民区、安装隔音效果好的门窗等办法来减少声爆对正常生产生活的干扰。