音爆声响，平地惊雷

zsok 2015-11-28

展开全文

　　官方证实11月26日成都“巨响”系飞机突破音障发出音爆。那么让我们系统的了解一下音障的今世前缘。

奇葩博士说

流体的可压性Ⅱ：声速

大展弦比的直机翼飞机，在飞行速度提高到某一程度时，会出现阻力剧增，操纵性能变坏和自发栽头的现象，飞行速度也不能再提高，而这个速度，恰好就是声速。这个难以逾越的难题，也因此而得名“声障”。

为什么这个坎儿恰好就是声速呢？

声速是由什么决定的？

上一节，我们通过实验认识到一个特殊的现象，声音传播的介质越容易被压缩（可压性越强），声音在其中传播的速度就越小；反之，介质的越难以被压缩（可压性越弱），声速就越大；假设理论上存在一种不可压的介质，综上则可以推断出其声速是无穷大的，声波可以瞬间传遍全场。（这里假设的声速无穷大，前提是理想不可压的情况，这种理论假设是流体力学进行科学研究的一种方法，和经典力学中假设的绝对光滑有异曲同工之处。故此这里的声速并不与光速一同讨论。）

为便于理解，我们打个不甚恰当的比方。声音在不可压介质中的传播形式参照上图，气缸中的两个活塞之间充满了不可压缩的物质，这时向右推动左侧的活塞，右边的活塞也会立刻随之运动。

声音在不可压介质中的传播形式，就像用弹簧连接的垂挂小球，当你敲击最左侧的小球时，小球的摆动要经过弹簧的压缩再传向下一个小球，最后，当最右边的小球也开始摆动时，距离敲击的时刻已经过了一段时间了。并且可以想象的时，弹簧越软，小球的摆动由左向右传递的时间越久。

在这个例子中，我们可以将小球比作声音传播的介质，弹簧比作扰动在介质中的传播形态。小球的摆动视作介质本身的运动，弹簧的压缩代表扰动的传递，可以得知，扰动的传播速度a并不是介质本身的运动速度v，a>>v。

具体的，介质中的声速a和介质本身的密度ρ以及弹性模量E（弹性模量E越小，越容易被压缩；反之弹性模量E越大，越难以被压缩）有以下关系：

同一种介质在不同的状态下（E、ρ）的声速也不尽相同，通常认为随着高度的增加，空气中的声速会随之减小。可见，空气中的声速会随着地点的改变而不同，我们普遍认为的340m/s的声速，是海平面101325pa大气压下，14°C空气所对应的数值。

声波本身，就是一种微弱扰动，声速是微弱扰动在这种介质中的传播速度。声音在介质中传播的速度和介质本身有关，与声源无关。声速由介质的弹性模量和密度决定。

值得注意的是，所谓微弱扰动，是指扰动本身对介质的压强p，密度ρ、运动速度v和温度T影响甚微。即使是大声的喊话，也属于微弱扰动。

激波、声障与音爆

我们已经知道了，气体中微弱扰动是以当地声速向四周传播的。接下来我们可以从扰动传播的范围来了解声障。

上图中，声源静止，扰动可以传遍全场；

当飞行器在空气流场中以亚声速做运动，但是扰动的传播速度比扰动源运动的速度要快，所以扰动不会挤压在一起，扰动依旧可以传遍全场；

当飞行器以当地声速运动时，扰动传播的速度和飞行器速度相同，也就意味着扰动无法传播到飞行器的上游方向。

此时，扰动的具体的传递过程又是怎样的呢？

我们打一个比方，设想一个左右开放的通道内比肩接踵站满了人。此时，通道左端的人意识到危险的来临，为了逃脱，他们向右飞奔，速度甚至等同于危险信号和骚动的传递快慢，这意味着他们右边的人还来不及做出任何肢体的反应左侧的人就已经压了上来。而右边的人由于无法让出通道，因而被依次挤压着前进。

如果有监控画面，那么可以得知在通道内，人群密度从左侧推进向右侧加密，而右方没有被波及到的人依旧停留在原地，浑然不觉危险的来临。在这一过程中，左侧的人始终跑得比右边的人快。

我们可以想象，在某一时刻，所有的人都挤压成一叠，形成了一道高压的人墙，同时最左侧的人保持着最初的逃逸速度。而此刻，最右侧的人依旧禁止在原地，身前碧落，身后黄泉。

这个例子中，我们将人群视作流体介质，最左侧人逃逸的速度比作物体运动的速度，危险信号和骚动在人群中的传播速度比作介质扰动的传播速度（当地声速），那么那道人墙就是激波（Shock wave）。可以得知，激波后方的压强要远远大于激波前方的压强。

对于飞行器而言，当飞行速度接近声速时，局部区域的气流速度就可能达到声速，甚至超越声速。局部激波的出现，意味着气动阻力的剧增，同时激波还会干扰气流在飞行器表面的绕行，发生分离，从而引起飞机震颤。并且机翼上由于超声速区域的存在，升力合力的作用点后移，使得飞机低头，甚至坠落。这一切都使音速在一时间成为了飞行器难以逾越的障碍，故而名为音障（Sound barrier）。如果飞行器突破这一障碍，一切声音都会被抛在身后。

在激波面上声学能量高度集中，当激波面掠过听者时，人们会感受到短暂而极其强烈的爆炸声，称为音爆(Sonic Boom)。在音爆来临之前，人们不会听到飞机的轰鸣声。