音爆云:飞行器行驶产生的现象-中文百科频道

现象分析

物体运行速度接近音速时,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。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。

第二次世界大战期间，对飞行器尝试跨越声速飞行遇到困难的称为音障。在早期飞机的设计中，由于对跨音速空气动力学了解尚少，所以曾多次发生飞机试图超越音速时解体或者失控坠毁的严重事故，有人把这一时期困扰飞机制造业的难题也称为“音障”。这一说法在1950年代以后随着跨声速飞行的广泛实现已渐不多见。

除此之外，跨音速飞行常常伴随的一个效应称为普朗特-格劳厄脱凝结云，表现为以飞机为中心轴、从机翼前段开始向四周均匀扩散的圆锥状云团。这是由于气流流速突破音速时比空气传导速度更快，无法有效向下拉气流，导致密度减小，气压降低，水气凝结。

“音爆”是物体在空气中的相对运动速度向上突破达到1马赫临界点时就会出现。通常情况下,多为飞行器在超音速飞行时产生的强压力波,传到地面上形成如同雷鸣的爆炸声。在突破音障时伴随的一个奇特现象便是“音爆云”,这是由于在激波面后方由于气压增加而压缩周围空气,使水气凝结形成微小的水珠,看上去就像云雾一般。这种云雾通常只能持续几秒钟,激波现身,转瞬即逝。音爆云是国内对这种现象的一个俗称,较为严肃一点的描述为普朗特-格劳厄脱凝结云。

技术原理

在平静的水面上，如果投一块石头，水面上立刻会出现一圈一圈的水波向四周传播，波及整个水面。但如果是在水面上运动的物体在水中激起的水波是从艇前开始，呈一楔形向外传播。其前缘密集，波浪很大，而后面波浪就很小。这种波称为楔形水波。此波随同快船一道前进，波及的范围始终在楔形之内。

同样地，对于空气来说，也有这种现象，如果给空气一个扰动，声音也会象水一样通过波的形式向外传播，这就是声波。声音就是声波传入耳内刺激鼓膜产生的。（只是帮助理解。空气扰动后的压力剖面和声音的震动传播剖面不是同的）。

当飞机在空中作超音速飞行时，在机头或突出部分，也会象水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波，这就是激波（空气压力的分界面）。当它们向外传播时便互相干扰和影响。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。

激波的形成是超音速飞行的典型特征。激波面将增加空气对飞行器的阻力，这种因为音速造成提升速度的障碍被俗称为音障。

飞行器进入超音速飞行形成的激波面，是声学能量的高度集中面，所以又称音锥。音锥在听觉上是一声短暂而极其强烈（可能超越人耳的听觉）的爆炸声，故称为音爆或声爆（Sonic Boom）。

影响因素

影响音爆产生的因素很多，例如飞行速度、高度、航线和周围的气象条件等。一般而言，人们对于飞行速度、高度和航线等因素是可以控制的，但对于气象条件和接近地面的湍流状态等是无法改变的。目前在消除飞机产生音爆方面的努力，主要在超声速飞机的设计、制造和控制等方面，例如改善飞机气动外形、关键部件的材料性能、提高飞机的消音器性能和设置隔音装置等。

“音爆”只有在飞机作超音速飞行时才会出现。当飞机在一定高度下以超音速飞行时，由于激波引起的强烈的压力变化。便产生了“音爆”。但是飞行员是不会听到这种响声的，因为飞行员坐在座舱里，激波引起的压强、密度、温度的变化，飞行员是无法感觉到的。即使座舱不密封。由于飞行员始终处于前激波的后面、后激波的前面，也就是说，他是处在一个暂时的稳定的等压强的条件下，也是听不到的。

“音爆”的强弱以及即对地面影响的大小，与飞机飞行高度有着直接的关系。因为，激波和水波一样，距离越远，波的强度也越弱。当飞机作低空超音速飞行时，不但地面的人畜能听到震耳欲聋的巨响，影响人们的生活和工作，严重的还可以震碎玻璃，甚至损坏不坚固的建筑物，造成直接的损失。随着飞行高度的增加，这种影响越来越弱，当超过一定的高度后，地面基本不会受到影响。