当物体接近音速时,会有一股强大的阻力,使物体产生强烈的振荡,速度衰减。这一现象被俗称为音障(Sound Barrier)。突破音障时,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而终形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆。
音爆是非常有趣的现象,可它为什么必须突破音障才会产生呢?它的声音又为什么会这么巨响呢?还有我看到很多人在问,飞机突破音障时那个“音爆云”是怎么回事呢?
音爆是怎么回事?
音爆是物体速度超过音速时产生的声音,我们平时看到的甩鞭子,鞭子顶部会发出“啪”的一声巨响,这个声音其实就是因为鞭子顶部的速度超音速运行产生的。
在日常生活中音爆的案例有很多,有许多东西可以轻易在一个瞬间超过音速,毕竟音速只是一个速度而已,也不是很快。
音速指的是振动源在特定介质中的传播速度,当这个介质是空气时,大气压、湿度、温度都会影响音速快慢,在标准大气压,15℃的情况下,这时候的音速是我们熟悉的值——340m/s。
按道理飞机的飞行速度要超过340m/s不难才是,但其实还挺难的,甚至在1947年人类飞行器第一次超音速飞行前,许多保守的工程师认为音速就是人类飞行的极限。
这是因为要超过音速需要突破一个阻力急剧增加的屏障,这个被称为音障或者声障。飞机在穿过这个屏障的时候,由于空气压力和流体力学发生变化,所以很容易出现失控现象,甚至最不好的情况飞机还会自然解体。
所以,要突破音障的话,对飞机结构的材料,以及对飞机动力系统和平衡系统都需要做很大的改进才行。
音爆原理
当飞机在空中作超音速飞行时,在机头或突出部分,也会像水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波,这就是激波。飞机所发出的疏密状的音波无法跑到飞机前方,所以就全部叠在机身后方,形成了圆锥形状的音锥。
当它们向外传播时便互相干扰和影响,然后汇集成一道包罗机头的音爆前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用上述的楔形水波来比拟,但有着迥然不同的性质。激波的厚度很小,经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高,速度立即下降。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时,均会感到这种强烈的变化,反映到人的耳朵里,使耳鼓膜受到突然的空气压强变化,就感觉是两声雷鸣般的巨响。这种响声就称之为“音爆”。
来源:商丘应急管理