聲音會“爆炸”嗎？說一說音爆與音爆云現象
在一定條件下聲音是會“爆炸”的，這就是音爆（或稱之為聲爆），伴隨著音爆還有可能出現音爆云（或稱之為聲爆云）等一些奇特的現象。那么，什么是音爆和音爆云呢？
音爆與音爆云都是發生在自然界里的一種物理現象。當物體在空中飛行時，物體本身對周圍空氣會產生強烈壓縮，空氣壓縮所發出的聲波向周圍傳播，傳播的速度為聲速。依據物體飛行速度的不同，其周圍空間里聲波所形成的波系有不同的型式（圖1）。特別是，當物體以聲速或超聲速飛行時，聲波無法跑到物體的前方，它們就全部疊加在一起，在物體的頭部或突出部形成了錐形波。在聲速飛行的特殊情況下，錐形波退化為一個平面波，如圖1(b) 所示。在這個錐形波的波面上聚集了大量的聲學能量，這些能量傳到人們耳朵里時，耳鼓膜感受到空氣壓強突然的變化，讓人感受到短暫而極其強烈的雷鳴般的爆炸聲，這就是音爆 (Sonic Boom)。伴隨物體高速飛行的另外一個奇特現象是：在物體的錐形波的后面出現一團云霧，這就是人們所謂的“音爆云”。
(a)亞聲速飛行時波系
(b) 跨聲速飛行時波系
(c) 超聲速飛行時波系
圖1 飛機在亞、跨、超聲速飛行時的聲波波系的不同形式
上面提到的錐形波，在力學上稱為激波或沖擊波。音爆與音爆云現象的產生是和激波密切相關的。那么，什么是激波呢？它是在大氣中的一個間斷面。大量的能量瞬間堆聚在很窄的間斷面內，在間斷面后面空氣的壓力、溫度和密度激烈地升高，形成一堵高壓、高溫和高密度的空氣墻，這就是激波，也稱為沖擊波。圖2給出飛機在亞聲速和超聲速兩種飛行狀態中，風洞實驗給出的波系結構圖像。從圖2(b) 可以看到，激波不僅在頭部形成，也可以在機身的凸起部位形成。
(a) 亞聲速飛行波系圖
(b) 超聲速飛行波系圖
圖2 飛機在亞、超聲速飛行時不同的波系圖
當飛行器作跨聲速或超聲速飛行時，在它的頭部或突出部便可能產生激波。一旦飛行器頭部或突出部產生激波后，飛行器的氣動性能就會發生急劇變化，阻力突增，升力驟降，劇烈振蕩，甚至有發生機毀人亡的危險，所以突破聲速曾是一件很困難的事，人們也稱之為聲障。上世紀40年代，力學大師郭永懷先生在國際上首先提出了“上臨界馬赫數”概念，為航空界突破聲障進入超聲速飛行時代做出了獨特的貢獻。
高速飛行的飛行器頭部或突出部出現的激波向外傳播時，會互相干擾和影響，傳到地面時會在地面上反射，形成反射波，反射后激波的強度會繼續增加。例如，超聲速飛機在16000米高空飛行時，它的激波在地面反射時，引起地面上的壓強有可能達到100帕（10公斤力/平方米）以上，持續時間約為0.2秒。激波在地面反射后再傳播到地面上的人們耳朵里時，使耳膜感受到強烈震蕩，讓人們感受到短暫而極其強烈的雷鳴般爆炸聲，這就是音爆產生的機制。
一般情況下，超聲速飛機飛行時往往會形成兩道激波：一道包裹機頭的前激波和一道尾隨機尾的后激波。這二道激波的強度都差不多，它們會同時傳播到地面，并在地面上反射，形成一個N形反射激波（見圖3）。因此在一般情況下，我們在遇到音爆時常常可能會聽到兩聲“爆炸”聲。
圖3 激波在地面上反射形成N形反射波
圖4則給出了飛機尾部伴隨形成的音爆云圖像。當飛機突破聲障時，飛機上的激波后面的壓力和溫度增高，而在飛機尾部會出現低溫低壓區，這樣就改變了原始的大氣狀態，使其中的水氣在新的條件下可能發生凝結，形成云霧。音爆云和激波的波形類似，呈現錐形狀，和飛機的機身垂直，通常只能持續幾秒鐘。不過音爆云并不是在每架飛機的每次飛行中都會產生的現象，它不僅和激波強度有關，還和周圍大氣的氣象條件（濕度、溫度、飽和度以及凝結核等）有密切的關系。因此，只能在特定的天氣條件下才會出現。
圖4 飛機在高速飛行時形成音爆云
除了超聲速飛機飛行時會產生音爆外，還有其他方式也可以產生音爆。例如，馬車夫甩鞭子催馬快跑，公園里人們甩鞭子鍛煉時都會產生音爆（見圖5），不過這些音爆的影響不大，一般不會引起人們的關注。
圖5 人們用甩鞭子方法產生音爆
上面談到音爆產生的機制，現在轉過來說說它的危害。
超聲速飛機產生的音爆的傳播范圍可以是很廣的。因為飛機上的激波是附著在機體上，跟著飛機一起飛行的。因此在速度和高度都合適的條件下，沿著飛機飛行軌跡下面一路上都會聽到音爆聲，只是聽到音爆聲的不是同一個人而已。例如，飛機飛行速度是2倍聲速、高度是3000米時，聽到音爆聲的范圍可達60 千米。
音爆的能量是很大的。一架飛機作低空超聲速飛行時，地面上的人們能聽到震耳欲聾的巨響，這不僅影響人們的生活和工作，嚴重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅固的建筑物，造成直接的損失。隨著飛行高度的增加，這種影響越來越弱，但影響范圍則擴大，當超過一定的高度后，地面基本不會受到影響。由于音爆發生的時間短暫，一般對地面上戶外工作人們影響不大。但是，在室內就不一樣了，盡管在室內音爆壓強要小很多，但經過壁面的多次反射形成共鳴，持續時間會變得較長，對室內工作的人們影響還是較大的。
如果我們把音爆的壓強換算成更直觀的聲強：100帕的壓強大約相當于133分貝。這時音爆引起的噪聲對人體的傷害還是很嚴重的，特別是對人的耳膜的傷害。雖然人體能承受的最高噪聲是155分貝，但是，臨床醫學發現，人體在超過80分貝噪聲環境下生活和工作就會有頭痛、焦慮、失眠和血壓升高等癥狀。據臨床醫學統計，音爆有可能使50%的聽到音爆的人造成耳聾。
此外，除了對地面上的人們的身體和生活有影響，音爆對飛機本身也會造成一定的損壞。如果飛機長期多次遭遇音爆，就會使機體金屬結構性能下降。所以，人們要努力防止音爆的產生。
影響音爆產生的因素很多，例如飛行速度、高度、航線和周圍的氣象條件等。一般而言，人們對于飛行速度、高度和航線等因素是可以控制的，但對于氣象條件和接近地面的湍流狀態等是無法改變的。目前在消除飛機產生音爆方面的努力，主要在超聲速飛機的設計、制造和控制等方面，例如改善飛機氣動外形、關鍵部件的材料性能、提高飛機的消音器性能和設置隔音裝置等。對于地面上的人們來說，要防止和減少音爆危害，基本上沒有很好的辦法，因為發生和感受音爆的偶然性很大。對于生活在經常發生音爆范圍內的人們，只有建造隔音好的、牢固的和窗戶少的房子。而在航母上指揮艦載機起飛和降落的工作人員，都必須戴上耳罩和做好全身保護。
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