文名稱音爆英文名稱Sonic Boom產生條件速度接近音速首發時間1947年10月14日

現象描述

“音爆”是物體在空氣中的相對運動速度向上突破達到1馬赫臨界點時就會出現。通常情況下，多為飛行器在超音速飛行時產生的強

壓力波

，傳到地面上形成如同雷鳴的爆炸聲。在突破

音障

時伴隨的一個奇特現象便是“

音爆雲

”，這是由於在激波面後方由於氣壓增加而壓縮周圍空氣，使水氣

凝結

形成微小的水珠，看上去就像雲霧一般。這種雲霧通常只能持續幾秒鐘，激波現身，轉瞬即逝。音爆雲是國內對這種現象的一個俗稱，較為嚴肅一點的描述為Prandtl-Glauert condensation clouds(

普朗特-格勞厄脫凝結雲

)

要回答這個問題，我們要先了解聲音的傳播方式，以及“音速”這個概念。眾所周知，聲音想要傳播就需要介質，這個介質可以是固體、液體或者是氣體，當聲音在大氣中傳播時，它的傳播介質就是空氣，傳播方式就是依靠對空氣的壓縮和復原，比如下圖所示，就是物體在運動過程中對其前面的空氣進行擠壓，以及被擠壓後空氣復原的原理示意簡圖。那麼，什麼又是音速呢？簡單來講，音速其實就是指：在一個單位時間週期內，空氣被擠壓後再復原的速度。知道了這一點，我們就可以來解釋：為什麼當處於不同海拔高度時，音速在數值上也會不一樣？這是因為不同高度的空氣，其密度是不一樣的，而不同密度的空氣被壓縮後再復原的速度也不一樣，所以，在不同的海拔高度上，音速的數值定義就會不同。

▲空氣被擠壓、復原過程原理圖

然後，一個處於運動狀態的物體，對它前面的空氣的擠壓也是連續的，同時被擠壓的空氣又會立刻復原，也就是說，這個運動物體前端的空氣其實是處於：被擠壓—復原—再被擠壓—再復原……這樣一個週期性的運動狀態，而在這個過程中，空氣的密度同樣也是處於一種週期性變化的狀態中，即：密度增大（擠壓）—復原—增大（擠壓）—復原……，因此，空氣密度這種週期性的變化，就會產生我們平時所說的“音波”或者“聲波”，怎麼來理解這個過程呢？舉個例子，當我們往水中扔一個小石頭的時候，就會以石頭落點為中心產生一個向四周擴散的“水波”，假如我們連續往同一個位置扔石頭，那麼這個產生的水波波紋就是連續不斷的。而空氣中的聲波的產生其實也差不多，比如下圖所示，就是聲波的產生原理模擬圖，圖中顏色深淺的變化表示的就是空氣密度的變化，顏色變深，表示此時空氣受到擠壓，密度增大。

▲聲波的產生和傳遞模擬圖

前面已經提到了，單位時間內空氣被壓縮再復原的速度，就是聲音的傳播速度，而物體在運動過程中對空氣的擠壓又是連續的。所以，如果這個物體，就比如題目中說到的飛機，它的飛行速度是小於音速的話（亞音速，低於一馬赫），那麼其在飛行過程中產生的音波就會一直都在飛機的前方，因為音波的速度更快，並且這些音波並不會疊加。比如下圖所示，圖中飛機周圍那些圓圈表示的就是音波：

▲小於1馬赫（亞音速）飛行

接著，當飛機的飛行速度從亞音速慢慢增大，達到1馬赫（即等於音速）的這個過程中，它的飛行速度和空氣壓縮復原的速度也是越來越接近的，前方的音波的間距也會慢慢變小，而當飛行速度達到1馬赫時，此時飛機的速度和音波的速度（空氣擠壓復原的速度）是一樣的，也就意味著音波不能再跑在飛機的前面了，而是和飛機一樣。簡單來說就是飛機追上了被擠壓的空氣，使得被擠壓的空氣一直在被疊加累積，比如下圖所示，而這些被疊加在一起的空氣，其密度就會越來越大，我們可以把它理解成是一堵密度很大的“空氣牆”，而這堵“空氣牆”，其實就是我們平時所說的“音障”，飛機想要超音速飛行，就必須突破先這堵“空氣牆”，可是想要撞破這堵“空氣牆”就沒那麼容易，它需要發動機提供更大的推力，而一些效能不好的發動機，就需要開加力才能提供這個推力。

▲等於1馬赫（1倍音速）飛行

最後，當飛機撞破那堵“空氣牆”，突破音障，進入到超音速飛行時，就會產生題目中說到的“音爆”了。因為當飛機的速度剛好是1倍音速，還沒有超音速時，此時飛機正前方的聲波能量是一直在累加的，就是上圖中飛機正前方“圓圈”（聲波）重疊處，而當飛機突破音障達到超音速時，這累積疊加在一起的聲波能量就會被瞬間釋放出來，產生巨大的爆鳴聲，也就是我們平時說的“音爆”。因此，我們說的“音爆”，其實就是運動的物體在“跨音速”的瞬間產生的。那麼當物體超音速時有沒有“音爆”呢？當然有，當物體超音速飛行時，聲波就被遠遠的甩在了物體的後面，比如下圖所示，圖中就是一架飛行速度為2.92馬赫的飛機，它產生的音波疊加面在它的後面，只有當這個音波疊加面傳到人的耳朵時，人才會聽到明顯更大的“音爆”的聲音。

▲超音速飛行

因此，說到這裡，有關“音爆”的知識基本上就介紹完了，其實簡單概括的話，所謂的“音爆”，其實就是聲波能量的疊加，聲波的疊加面傳播到人的耳朵時，就會聽到比一般的聲音更大的爆鳴聲，這個就是“音爆”。但是，我們平時所說的音爆，其實都是物體從亞音速進入到超音速的瞬間產生的，但是要注意，“音爆”我們是看不見的，因為那就是聲音，我們平時看到的飛機突破音障時產生的那個雲霧狀的東西叫做“音爆雲”，音爆雲並不是在跨音速時就一定會產生的，而是會受到環境因素的影響，比如溼度、溫度等。最後再提一點，一些飛機在還沒跨音速時（0.6~0.9馬赫），就會產生音爆了，原因在於飛機的整體速度還是亞音速，但是某些結構部位卻已經從亞音速進入到超音速了，這個音爆就是這些部位跨音速時產生的，一個非常簡單的例子就是“甩鞭子”，甩鞭子時，鞭子的尾端會產生“爆鳴聲”就是這個道理。

音爆這種現象，在自然界早就有了，我們人類放牛放羊的鞭子，用力一甩，啪啪的響聲，就是產生了，音爆現象，發出了響亮的聲音

超音速飛機的尾翼，一單超過音速，每秒340米以上，與空氣的摩擦，在適合的條件下，就會產生音爆

因為有空氣的存在，和水分子，等因素

如果在大氣層以外，真空的狀態下，就不會有這種現象

〔音爆〕/Sonⅰc.boom

是超音速飛行器突破音障時產生的激烈“噪音”。當飛行器超音速飛行時機體對空氣的壓縮無法迅速傳播、在飛行器迎風面和附近積累、形成空氣激波面、激波面增加了飛行器的飛行阻力、而形成“音障”。（運載火箭上升加速階段同樣也要突破“音障”形成超音速（2馬赫數)“音爆”。（F-15戰鬥機突破音障瞬間)

飛行器超音速飛行突破“音障”時、產生強烈的噪音（音爆sonic.boom）猶如晴天霹靂、震耳欲聾、在超音速飛行器飛行航路下形成80～160公里範圍的“音爆”區、產生高達130分貝噪音汙染。“殲-20”突破“音障”瞬間機體四周圍空氣壓力驟降、空氣中水氣凝結成水滴形成團霧。“音爆”高達130分貝以上的噪音、會對地面建築物和人們的生產生活造成危害、所以對超音速飛行的區域和高度各國都有嚴格規定、儘可能減少“音爆”形成的噪音汙染。

飛機等飛行器很多都具備超音速飛行能力，所謂超音速也就是飛行速度比聲音的傳播速度要快。聲音的傳播就像是把一塊石頭扔入水面，會產生波浪式的擴散，聲音也是這樣以波形四處擴散傳播的，音速的數值並不是固定值，受空氣溫度、高度的影響並不相同，通常情況下以空氣中的1個標準大氣壓和15℃的條件下定義為標準值，即約340秒/秒，也就是1224公里/小時，為的是方便計算。低於這個速度就是亞音速，超過這個速度就是超音速，音爆就是在突破這個速度時出現的。

音爆的產生：飛機在空氣中飛行時，聲音同樣伴隨著飛機，駕駛員能聽到發動機的聲音，這和我們開汽車一樣，聲音融合在空氣中，當飛機速度越來越快，就會在飛機的前部形成激波，所謂的激波你可以理解成在飛機頭部位置形成空氣疊加現象，這是因為飛機的速度超過了空氣被飛機擠壓擴散的速度，結果把來不急擴散的空氣疊加在了機頭部位，形成阻力，就像你在水中慢慢走感覺不到水的阻力，一但你跑起來就明顯感覺到了阻力，因為水來不及擴散。飛機也是如此，把聲音全部擠壓、疊加在了機頭部位，形成激波效應，等於是在飛機頭部位置形成一道音障牆，此時飛機的阻力達到了最大化，發動機很費勁，飛機出現震盪，聲音也很大，如果在加一把勁，把這堵音障牆捅破，飛機就鑽出了音障牆。

在突破音障時飛機前部的音障疊加層會產生“被撕裂”式的音爆聲音，就像是子彈擊穿一塊鋼板，會發出聲音，這個聲音在空氣中擴散，傳到地面就形成音爆聲。飛機在突破音障的一瞬間，在也聽不到發動機的聲音了，而且發動機也不費勁了，相當安靜，平穩，舒服。突破音障的瞬間也會產生音爆雲，所謂的音爆雲其實就是空氣中的水分子成分，聲音和空氣中的水分子成分同樣都存在於飛機的機頭部位的激波疊加層中，突破後這些水分子摩擦會產生擴散雲環，飛機從這個雲環中鑽出去。其實在飛機突破音障前這個雲環就存在了，音爆雲的產生就是機頭空氣、聲波、水分子層層疊加形成音障牆的結果。

簡單講音爆的產生就是飛機的速度大於空氣擴散速度，結果部分聲波、空氣被飛機推著走，層層疊加越積越多，當飛機達成音速時前面已經堆積了一層厚厚的音障牆，形成巨大的阻力，飛機突破它時音障牆被撕裂形成激波瞬間爆裂，發出巨大的音爆。音爆能夠傳播很遠，例如，一架飛機在 一萬多米高空突破音障時產生的音爆，能夠對地面產生約對地面產約100帕的壓強，這個就相當於給一塊一平方米左右的玻璃施加了10公斤的壓力力。飛機在低空空域做超音速飛行時，如果產生音爆威力會更大，震碎玻璃窗，掀翻房屋上的瓦片，損壞不太堅固的建築物等並不是不可能的，因此，戰鬥機基本上低空飛行突破音障時都有環境條件限制，防止波及地面。

W君說說吧，所謂音爆是指飛行器在空氣中飛行的時候跨越音速（音障）的瞬間造成的聲學現象。

W君在音訊專輯裡面放了一個F-16跨越音障時候的實況錄音，大家有興趣可以聽聽。

在跨越音障的錄音裡我們可以清晰的看到一條明亮的響度線，這是戰鬥機跨越 音爆時候首先產生的一次音爆，後面還緊接著另外一條明亮的線這是建築物反射聲波造成的迴音。

所謂音爆的產生實際上和聲音的速度有關。

當戰機飛行速度恰好和所處高度的音速相同的時候，戰機就會“追上”之前發出的聲音。這時就會有一個聲音在某一點上無限疊加的現象，於是在地面參照系上的人就會聽到這種無限疊加之後的聲音——音爆。

由於幾乎是無限疊加的，因此聽起來就是很響亮的一聲爆音。因此也就被稱之為音爆了。

還有一個很重要的現象，就是戰鬥機在進入音速的時候一般都會有激波雲的出現，但是這個激波雲並不是音爆生產的，而是空氣被戰鬥機高速壓縮導致的水蒸氣凝結。

這個激波雲的角度實際上要比音爆產生的音錐要廣闊得得多。

真正的音錐的角度實際上要狹窄很多，從視覺上看完全不是一種視覺效果。

音爆（Sonic boom）是在空氣中運動的物體速度突破音障時，產生衝擊波而伴生的巨大響聲。音爆的聲音能量巨大，聽起來像爆炸一樣。 物體執行速度接近音速時，會有一股強大的阻力，使物體產生強烈的振盪，速度衰減。這一現象被俗稱為音障(Sound Barrier)。

金毛獅王謝遜有一個絕技叫獅吼功，相傳是少林七十二絕技之一，每一位看過武俠電視劇的讀者也一定對其中的類似神功記憶深刻，音爆和這個有同樣的功效。

圖釋：飛機產生的“音爆雲”

戰場上不留痕跡的炸彈

2005年，英國《衛報》報道過以色列軍方使用戰機音爆來恐嚇巴勒斯坦人，就像炸彈爆炸一樣的巨大聲響響音爆被攻擊區上方，會將建築物牆體震開裂、玻璃震碎，使人聽力受損，甚至耳朵和鼻子出現出血現象，是不留痕跡的炸彈。

出現以上現象的原因就與音爆有關。

把一顆石子投到水中，可看到水波。

聲音之所以能夠在空氣中傳播，也是因為空氣在振動，聲音在空氣中大多數是以縱波的形式傳播的，即聲音從聲源發出後，“耳朵”和聲源中間的空氣中膨脹和壓縮，來回震盪，聲音在標準大氣壓，15℃的外界環境溫度下，速度是確定的340m/秒。

在發明噴氣式飛機之前，人類從來沒能達到過這個速度，剛開始出現噴氣式飛機時，由於人們不懂音爆現象，很多試飛員獻出了生命，因為當飛機達到音速時，飛行員就會感覺到飛機的阻力變得異常大，並且機身會出現劇烈震動，這就是“音障”，飛機突破音障時就會出現劇烈的響聲，這就是音爆。

音障、音爆出現的根本原因

聲音在空氣中有極限傳播速度，這是因為空氣分子本來就很稀薄，稀薄的空氣分子振動傳播的最大速度就是340m/秒（標準大氣壓，15℃），如果飛機以低於音速的速度飛行，這時飛機前進方向上的空氣分子雖然被壓縮，但是還是向四周傳播移動的，但是如果飛機的速度超過了這個速度，空氣分子移動的速度低於飛機的速度，這時就會在飛機前面堆積、擠壓形成一層屏障，在飛機的迎風面出現一個激波面，即音障，當飛機“捅破”這個激波面時就會發生音爆，激波面上的能量釋放，空氣劇烈摩擦，發出巨大的響聲。