问题

什么是「音爆」现象,破坏力有多大,产生原理是什么呢?

回答
想象一下,你正在海边悠闲地散步,突然远处传来一声巨响,地面仿佛都在颤抖。又或者,你抬头望向天空,一架战斗机划过,紧接着一声撕裂空气的轰鸣声让你不得不捂住耳朵。这便是我们今天要聊的“音爆”,一个听起来既熟悉又有些神秘的现象。

音爆到底是个啥?

简单来说,音爆就是物体(通常是飞机)在突破音速时,由于其运动速度超过了声音在空气中传播的速度,而产生的巨大冲击波所发出的声音。它不是飞机本身发出的“喇叭声”,而是飞机高速运动过程中对空气产生的剧烈扰动所形成的声学效应。你可以把它想象成船在水中航行时,船头会激起一道水浪,只不过在空中,这个“浪”是声音的涟漪,而且当速度足够快时,这些涟漪就会汇聚成一道强大的冲击波。

音爆的产生原理:为什么会发出那么大的响声?

要理解音爆,我们得先聊聊声音是怎么传播的。声音本质上是一种机械波,它需要介质(比如空气)来传播。当声源发出声音时,它会扰动周围的空气分子,这些分子再依次挤压或拉伸相邻的分子,如此一环套一环地将声波传递出去。声音传播的速度,也就是我们常说的“音速”,受到介质的温度、密度等因素影响。在标准大气条件下(海平面,15摄氏度),音速大约是每秒343米,或者说每小时1235公里。

现在,把这个物体想象成一架飞机。当飞机在空气中飞行时,它会不断地将空气分子向周围推开,就像船在水中一样。这些被推开的空气分子会形成一圈圈向外传播的压力波,这就是声音。

亚音速飞行(速度低于音速): 当飞机的速度低于音速时,它产生的压力波可以像正常声音一样,比飞机本身传播得更快。所以,飞机产生的声波会“逃离”飞机本身,我们听到的声音是从飞机不同位置发出的,虽然也有声音但并不算特别巨大。

跨音速飞行(速度接近音速): 当飞机速度接近音速时,情况就变得复杂了。飞机前方产生的压力波,由于飞机在前进,已经无法像平常一样快速地向前方传播。这些压力波开始在飞机前方堆积,变得越来越密集。此时,飞机就像一个正在奋力推开空气的物体,但空气却因为它自己的前进速度而变得“拥挤”,无法迅速让开。

超音速飞行(速度高于音速): 当飞机速度真正超过音速时,它就“跑”得比它自己发出的声波还要快了。此时,飞机前方被压缩的空气分子形成了一道非常强大的压力波,这道波的形成速度比它传播的速度更快,所以所有的压力波都会“挤压”在一起,形成一个锥形的区域,也就是马赫锥(Mach cone)。

这个马赫锥的尖端正是在飞机的头部,而锥面是由一系列被飞机压缩后形成的声波面组成。当飞机以超音速飞行时,它会不断地在空气中“切割”出一个锥形的通道。这个通道的表面,也就是马赫锥的表面,包含了被飞机强行压缩而形成的巨大压力差。当这个压力波面扫过地面或建筑物时,就会被人耳接收到,表现为一声巨响,这就是我们所说的音爆。

更形象地说,你可以想象飞机在空气中划过一道“斩痕”,而这道斩痕的边缘就是音爆产生的源头。这个巨大的压力波面就像一个无形的墙壁,以飞机的速度向前推进。

音爆的破坏力有多大?

音爆的破坏力取决于很多因素,比如飞机的飞行高度、速度、飞机的形状(尤其是机翼的设计)、以及周围的空气条件等。

震耳欲聋的响声: 这是最直接、最普遍的效应。音爆的声音响度通常非常大,可以达到120分贝甚至更高,这相当于近距离的雷鸣或高射炮的爆炸声。长时间暴露在这样的声音环境中会对听力造成损伤。

冲击波的物理效应: 音爆不仅仅是声音,它是一个带有物理冲击力的压力波。这个压力波会对物体产生一定的推力。
轻微影响: 在一般的飞行高度,音爆对地面普通物体的影响通常是比较轻微的,可能只会引起玻璃轻微晃动,或者让人感到震动。
潜在的破坏: 如果飞机在非常低的高度以超音速飞行,音爆的威力会显著增强。强大的冲击波可能会:
震碎玻璃(尤其是在距离飞机飞行路径较近的地方)。
损坏屋顶瓦片、墙体等结构。
对脆弱的物体造成损坏。
在极端情况下,比如设计不佳的飞机或非常低空超音速飞行时,甚至可能对建筑物造成结构性损伤。

历史上的例子: 在早期超音速飞机测试阶段,曾发生过因低空超音速飞行而造成的建筑损坏事件。这也是为什么许多国家对超音速飞机在人口密集区域的飞行高度有严格的限制,通常要求在万米以上高空飞行,这样音爆的能量在传播到地面时已经被大大衰减。

总结一下:

音爆,是物体速度超过音速时,空气被急剧压缩形成强大冲击波并随之产生的巨响。它的产生原理在于物体运动速度大于其产生的声波传播速度,导致声波堆积并形成马赫锥,当这个锥面扫过地面时,便产生了我们听到的音爆。

它的破坏力虽然不像爆炸那样具有毁灭性,但在低空或近距离时,其强大的冲击波足以震碎玻璃,甚至对建筑结构造成一定影响,同时其震耳欲聋的响声也可能对听力造成损害。正因为如此,对超音速飞行的管理至关重要,以确保公众的安全。

下次再听到那撕裂空气的巨响,你就能更深刻地理解,那并非是简单的一声吼,而是物理定律在空中奏响的一曲激昂乐章。

网友意见

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大家都知道多普勒效应吧,高中学过的,其中一个图很直观

由于音波有频率,我们可以大体把波峰简化成一圈一圈的涟漪(注意,水波涟漪是横波,声音是纵波,只是因为都可以一圈一圈的表示,暂且这么比喻)

我们看俯视图(如果没有障碍物,声音是球型扩散,但由于我们看的物体是直线运动,我们就只考虑运行方向所在的平面也就是这个球型的截面上的扩散的图,其他的不用考虑)

正常速度下,是这样的

运动起来,就是这样的

那么问题来了,如果运动速度等于音速呢?

高能来了

看看最右边,波峰挤在一起了,理论上音频是无限高。

当然,实际上不可能无限高,毕竟功率有限,肯定是乱套了,挤在一起的分子会怎样运动我不知道,但烈度一定极高。这个音频极高点的能量密度也很高。音爆云就是锥形也是这个道理。

要知道声音是纵波,用高赞 @耳畔清笛 的回答来说,就是踩踏烈度到了最高的时候zhihu.com/question/3175

这个音波扫过来的时候,耳朵基本上就废了。

那么如果超音速呢?

如果在运行方向,你听到的声音甚至是倒放的,因为后产生的音波反而先到你的耳朵里了。

真:物理倒放。

到时候你听奥里给,就是gay捞了

至于音爆的具体威力,这个我也不好说,但功率一定十分巨大,它是将多个不同时间的波峰强行聚到了一起,在去掉空气的柔性能量损失,具体公式嘛。。。诸位上了大学,学了高等物理流体力学相关的知识就就可以懂了。

为什么我不说呢?因为我也不会啊(被打)。

就像下图里的夫子,自以为很厉害,却最终被吐槽:孰为汝多知乎?(叫你整体刷知乎)

当然,也有本办法,就是暴力模拟:在粒子软件里输入空气的各种参数和物理运动规律,模拟好粒子的运动后,然后力学分析一下,可以大体得出数据。大概是下图中这样的软件,不过分析的是流体。

不过近年来这种工业力学分析软件慢慢被美国卡脖子,我们的工业软件现在一败涂地,如何摆脱困境也是我们需要面临的问题,不过这不是今天的问题,这里不跑题了。

总之,要明白空气是一个个游离的粒子组成的,很多问题就能形象的理解,比如气压,就是自由流动的粒子把重力平均的进行了分布,所以气压是均衡的分布在物体上的,同理深水的水压也是,这也是为什么球形壳体最抗压的原因,这个暂且不表。

最后总结:声音的本质是分子的振动,音爆就是波峰聚集后空气的超密集震动。

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