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1 # 和風漫談
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2 # 航小北的日常科普
先說第一個,飛機機身與空氣相互作用產生的噪音。
我們知道,飛機只有在加快到一定的速度的時候才能夠產生足夠的升力飛起來,但是正是因為飛行速度很快,所以飛機機身會與空氣產生劇烈的相互作用,這種相互作用就會產生噪音,並且一般來說速度越快、噪音越大。
尤其是當飛機突破音速之後,由於飛機對空氣巨大的壓縮作用,會產生叫做“激波”的現象【如上圖所示】,而空氣在這種巨大的壓縮作用之下,自然也會發出劇烈的噪聲。雖然不是所有人都見過飛機在超音速下飛行,但是幾乎所有人都知道甩鞭子會發出巨大的爆裂聲,而這個爆裂聲就是因為鞭子頭瞬間達到音速之後產生激波而發出的“音爆”【如下圖所示,可以看到高速攝影機拍到的鞭子超音速產生的激波】,所以就自然會知道這種噪聲有多大了。
再說第二個,發動機產生的噪音。雖然飛機機身與空氣相互作用產生的噪音很大,但是去過機場的人都可以看到,幾乎所有的地勤人員都戴著厚厚的隔音耳罩,而且飛機起飛的時候飛機速度並不高,可是為什麼還是會有巨大的噪音呢?
答案就是飛機發動機本身就會產生巨大的噪音。
我們知道,飛機的航空發動機是一種依靠化學燃料的燃燒、產生巨大推力的動力裝置,航空發動機中的轉子轉動速度很快、氣流在發動機內的流動速度也很高,最後氣流排放氣流的速度也不低。
上文也介紹了,只要氣體快速流動,就會產生巨大的噪音,另外,發動機燃料在燃燒內的劇烈燃燒本身也會發出很大的噪音【如上圖所示,就是模擬的發動機燃燒室內的燃燒現象,這是放慢速度的燃燒,但是實際上的燃燒速度比圖裡面快很多倍】,所以發動機發出的噪音絕對不小,尤其是戰鬥機的飛機發動機開啟加力燃燒之後,發動機尾噴管的排氣速度劇增【如下圖所示】,那就發出更加駭人的噪聲了。
所以這下大家明白飛機飛過時的巨大噪音是怎麼來的吧。
現代戰鬥機是人類科技的頂尖之作,飛行速度極快,比聲音跑得還快,甚至達到音速的2倍到3倍多。不光飛機有這種現象,從槍口高速射出的子彈也會有音爆產生。
當戰鬥機從亞音速跨入超音速時,會產生一種奇特的聽覺和視覺現象,稱之為“音爆”和“音爆雲”,一種很美麗另一種很恐怖。
本來飛機在低速飛行時,聲波是向四周擴散的。能量使空氣分子振動起來,這種振動傳遞的速度就是聲速。前方的空氣不斷振動排開,飛機的阻力減小。
但飛機速度超過空氣振動的傳遞速度時,前方的空氣再也無法及時排開,從而在機翼,機身,機頭部分產生激波面。飛機像錘子敲向牆面那樣,撞上了一堵靜止的空氣牆,產生巨大的聲響,形成音爆。同時,前方空氣阻力驟然增大,導致飛機操縱性變差,發生栽頭現象。
就像牧羊犬驅趕羊群,當狗的速度小於羊的速度時,羊四散跑開。如果狗的速度超過羊的速度,羊群來不及跑開,狗就會撞上羊。
音爆有兩聲,一個是由前激波產生的,另一個由後激波產生,整個超音速飛行期間,音爆現象一直持續。這種現象對地面人們的生產生活造成很大影響,所以無論是戰鬥機還是超音速客機,在和平時期都要按照規定,只能在25千米以上的高空或在海洋上才能進入超音速狀態。
伴隨著音爆的,還有一種極具美感的視覺現象,就是音爆雲。在空氣溼度大的地方,飛機進入超音速時機身周圍壓力急劇變化,氣溫降低,導致空氣中的水蒸氣遇冷凝結,形成細小水滴,組成了美麗的音爆雲,好似給飛機穿上了一件天鵝裙。
音爆也能當成武器使用。在一部電影中,法國Phantom2000戰機的子彈打光了,飛行員急中生智,低空超音速掠過敵軍車隊,巨大的音爆把敵軍裝甲車掀翻在地,士兵都震暈過去了。
音爆對地面的影響與高度、速度有關。高度越低影響越大,速度越快影響越強。