今天小編分享的科學經驗：音爆是什麼？它危險嗎？，歡迎閱讀。
2009 年，美國空軍一架 F-22" 猛禽 " 隐身戰鬥機飛行時產生的音爆。© RONALD DEJARNETT, U.S. NAVY/HANDOUT/REUTERS/REDUX
利維坦按：
人們對于 " 音爆 " 似乎有種常見的誤解，即認為音爆只發生一次，但實際上，整個超音速飛行中，音爆在接地區網域是一直持續着的，飛機飛到哪裡，尾後就會拖著噪音的衝擊波，所以超音速飛機只能在海上飛行，或者飛到 25 公裡以上的高層大氣，因為在那裡近乎真空，大氣密度只有地面的 5% 以下，否則這條航線沿途必然引起居民的對噪聲的抗議。文中提及的協和式客機停運，噪音便是因素之一。
消除音爆的一個關鍵是機身結構的設計。2018 年，洛克希德 · 馬丁公司制造了一種低音爆的飛機。這種名為 X-59 QueSST 的飛機使用了靜音超音速技術，飛行速度将達到 1.42 馬赫。據 NASA 說，這種飛機的噪音和關閉轎車門的聲音差不多。
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如果你聽到了像雷聲一樣的聲音，而天空中沒有雲，那麼這種聲音很可能是音爆（Sonic boom）。
所謂音爆，就是當飛機或其他物體超過音速時產生的噪音。它的确和雷聲或爆炸一樣響亮，通常可以達到 110 分貝。随着 SpaceX 測試火箭的繼續，它們在美國佛羅裡達州中部的航天海岸越來越常見。
那麼，究竟是什麼導致了音爆，靠近音爆是否危險？為了理解這些問題，首先我們需要将空氣類比為液體。
什麼導致了音爆？
音爆可以由類似子彈和長鞭這樣的小物體產生，也可由火山噴發、流星雨和地震等自然現象引起。但是，音爆最常與飛機相關。這是為什麼？
這張 NASA 的圖片描繪了兩架美國飛機以超音速飛行，它們相距約 9 米，產生的衝擊波相互動，這些衝擊波被聽到時被稱為音爆。© NASA, NAT GEO IMAGE COLLECTION
當某物體（比如太空飛船）加速時，它會產生聲波，向各個方向輻射出去，就像投入湖中的鵝卵石產生的漣漪一樣。然而，随着物體加速，航天器前端的波紋開始堆積壓縮，而不是向外波動。與此同時，聲波繼續從飛船的側面和後方向外推開，就像一艘駛過的快艇留下的尾波一樣。
如果航天器繼續加速，最終它将超過前方聲波的速度，這意味着它已經達到了 1225 公裡 / 小時。
這時，航天器前方積聚了如此多的壓力，導致釋放出一個巨大的聲波，聽起來像一次爆炸。根據 NASA 的說法，正是這種 " 壓力的突然釋放 " 被我們聽到，才被稱為音爆。
美國 F/A-18" 大黃蜂 " 戰鬥機形成音爆的瞬間。© Techshots's Newsletter/Substack
什麼叫音爆接地區網域？
如果航天器繼續超過聲速，它将形成一個由受壓空氣分子組成的圓錐形區網域。因此，音爆實際上随着航天器的移動而移動，将其中的一部分聲波朝向我們可以聽到的地面傳播。這被稱為 " 音爆接地區網域 "。
有趣的是，音爆區網域的大小與物體的高度成正比，大約每提升 304.8 米高度，接地的範圍就會增加 1.6 公裡。例如，NASA 計算出，一架飛行高度為 15.24 公裡的飛機将產生一個直徑為 80.5 公裡的音爆接地區網域。那些直接位于飛機飛行路徑下方的地方将會聽到的音爆最響，而接地區網域邊緣的地方将會聽到較輕的聲音。
© Tenor
同時，飛機運動或區網域的地理條件也會影響其產生聲波的強度。例如，突然加速、"S" 型轉彎、山丘和山谷都可以放大音爆的效果。
音爆危險嗎？
音爆的強度以磅力每平方英尺（psf）來衡量，這個數值會随着產生音爆的物體大小和速度而增加。
好消息是，在幾乎所有通常聽到音爆的情況下，產生的聲音或超壓（大約為 1 到 2 磅）對人體造成的傷害太小，不會引起身體損傷 [ 1 ] 。
《壯志凌雲 2：獨行俠》（Top Gun: Maverick，2022）劇照。© The Mirror
根據 NASA 的說法，當超壓達到 2 至 5 磅時，可能會對建築物造成一些損害。這最有可能發生在大型飛行器或以極低飛行高度飛行的情況下。不過，NASA 估計大多數建築物都可以承受高達 11 磅每平方英尺的超壓而不會受到損壞 [ 2 ] 。
按照這些标準，人類的耳膜是安全的：要對耳膜造成損害，必須是航天飛機着陸產生的超壓強度的 600 倍。
在這段視頻的結尾，你可以看到較為罕見的火箭發射後產生的音爆畫面。
音爆的歷史
太空和航空工業在某些操作中必須認真考慮音爆的影響。
第一架能夠產生音爆的飛機是貝爾 X-1 火箭飛機，它在 1947 年由試飛員查爾斯 · " 查克 " · 耶格（Charles "Chuck" Yeager）駕駛時首次突破了音障。這一刻被湯姆 · 沃爾夫（Tom Wolfe）同名書籍和電影《太空先鋒》（The Right Stuff）永遠銘記在文學和電影中。
貝爾 X-1 火箭飛機。© Wikipedia
在那一成就之後的幾年裡，飛機制造商希望引領超音速飛行的新時代，到了 1976 年，一款被稱為 " 協和 " 式（Concorde）的英法噴氣式客機開始定期在大西洋上執行商業班機。憑借突破音障的速度，" 協和 " 式能夠在僅僅三個半小時内将乘客從美國東海岸運送到歐洲，而通常需要八個小時才能完成這一旅程。
協和式客機在 1969 年首飛、1976 年投入服務，主要用于執行從倫敦希思羅機場（英國航空）和巴黎戴高樂國際機場（法國航空）往返于紐約肯尼迪國際機場的跨大西洋定期航線。該飛機能夠在 18000 米的高空以 2.02 倍音速巡航，從巴黎飛到紐約只需約 3 小時 20 分鍾。© Steam Community
然而，" 協和 " 式飛行產生的音爆對該航線下面的居民來說實在是太不友好，到了 2003 年，該班機服務被終止。在美國，自 1973 年起，美國聯邦航空管理局禁止在陸地上進行超音速飛行，盡管對于軍事和航天機構等特定情況仍有例外。
參考文獻：
[ 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
譯 /tim
校對 / 兔子的凌波微步
原文 /www.nationalgeographic.com/science/article/sonic-boom-cause-shock-wave-physics
本文基于創作共享協定（BY-NC），由 tim 在利維坦發布
文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場
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