为什么飞机超过音速时会有音爆

要解答，我们要先了解声音的传播方式，以及“音速”这个概念。众所周知，声音想要传播就需要介质，这个介质可以是固体、液体或者是气体，当声音在大气中传播时，它的传播介质就是空气，传播方式就是依靠对空气的压缩和复原，比如下图所示，就是物体在运动过程中对其前面的空气进行挤压，以及被挤压后空气复原的原理示意简图。那么，什么又是音速呢？简单来讲，音速其实就是指：在一个单位时间周期内，空气被挤压后再复原的速度。知道了这一点，我们就可以来解释：为什么当处于不同海拔高度时，音速在数值上也会不一样？这是因为不同高度的空气，其密度是不一样的，而不同密度的空气被压缩后再复原的速度也不一样，所以，在不同的海拔高度上，音速的数值定义就会不同。

▲空气被挤压、复原过程原理图

然后，一个处于运动状态的物体，对它前面的空气的挤压也是连续的，同时被挤压的空气又会立刻复原，也就是说，这个运动物体前端的空气其实是处于：被挤压—复原—再被挤压—再复原……这样一个周期性的运动状态，而在这个过程中，空气的密度同样也是处于一种周期性变化的状态中，即：密度增大（挤压）—复原—增大（挤压）—复原……，因此，空气密度这种周期性的变化，就会产生我们平时所说的“音波”或者“声波”，怎么来理解这个过程呢？举个例子，当我们往水中扔一个小石头的时候，就会以石头落点为中心产生一个向四周扩散的“水波”，假如我们连续往同一个位置扔石头，那么这个产生的水波波纹就是连续不断的。而空气中的声波的产生其实也差不多，比如下图所示，就是声波的产生原理模拟图，图中颜色深浅的变化表示的就是空气密度的变化，颜色变深，表示此时空气受到挤压，密度增大。

▲声波的产生和传递模拟图

前面已经提到了，单位时间内空气被压缩再复原的速度，就是声音的传播速度，而物体在运动过程中对空气的挤压又是连续的。所以，如果这个物体，就比如题目中说到的飞机，它的飞行速度是小于音速的话（亚音速，低于一马赫），那么其在飞行过程中产生的音波就会一直都在飞机的前方，因为音波的速度更快，并且这些音波并不会叠加。比如下图所示，图中飞机周围那些圆圈表示的就是音波：

▲小于1马赫（亚音速）飞行

接着，当飞机的飞行速度从亚音速慢慢增大，达到1马赫（即等于音速）的这个过程中，它的飞行速度和空气压缩复原的速度也是越来越接近的，前方的音波的间距也会慢慢变小，而当飞行速度达到1马赫时，此时飞机的速度和音波的速度（空气挤压复原的速度）是一样的，也就意味着音波不能再跑在飞机的前面了，而是和飞机一样。简单来说就是飞机追上了被挤压的空气，使得被挤压的空气一直在被叠加累积，比如下图所示，而这些被叠加在一起的空气，其密度就会越来越大，我们可以把它理解成是一堵密度很大的“空气墙”，而这堵“空气墙”，其实就是我们平时所说的“音障”，飞机想要超音速飞行，就必须突破先这堵“空气墙”，可是想要撞破这堵“空气墙”就没那么容易，它需要发动机提供更大的推力，而一些性能不好的发动机，就需要开加力才能提供这个推力。

▲等于1马赫（1倍音速）飞行

最后，当飞机撞破那堵“空气墙”，突破音障，进入到超音速飞行时，就会产生题目中说到的“音爆”了。因为当飞机的速度刚好是1倍音速，还没有超音速时，此时飞机正前方的声波能量是一直在累加的，就是上图中飞机正前方“圆圈”（声波）重叠处，而当飞机突破音障达到超音速时，这累积叠加在一起的声波能量就会被瞬间释放出来，产生巨大的爆鸣声，也就是我们平时说的“音爆”。因此，我们说的“音爆”，其实就是运动的物体在“跨音速”的瞬间产生的。那么当物体超音速时有没有“音爆”呢？当然有，当物体超音速飞行时，声波就被远远的甩在了物体的后面，比如下图所示，图中就是一架飞行速度为2.92马赫的飞机，它产生的音波叠加面在它的后面，只有当这个音波叠加面传到人的耳朵时，人才会听到明显更大的“音爆”的声音。

▲超音速飞行

因此，说到这里，有关“音爆”的知识基本上就介绍完了，其实简单概括的话，所谓的“音爆”，其实就是声波能量的叠加，声波的叠加面传播到人的耳朵时，就会听到比一般的声音更大的爆鸣声，这个就是“音爆”。但是，我们平时所说的音爆，其实都是物体从亚音速进入到超音速的瞬间产生的，但是要注意，“音爆”我们是看不见的，因为那就是声音，我们平时看到的飞机突破音障时产生的那个云雾状的东西叫做“音爆云”，音爆云并不是在跨音速时就一定会产生的，而是会受到环境因素的影响，比如湿度、温度等。最后再提一点，一些飞机在还没跨音速时（0.6~0.9马赫），就会产生音爆了，原因在于飞机的整体速度还是亚音速，但是某些结构部位却已经从亚音速进入到超音速了，这个音爆就是这些部位跨音速时产生的，一个非常简单的例子就是“甩鞭子”，甩鞭子时，鞭子的尾端会产生“爆鸣声”就是这个道理。

金毛狮王谢逊有一个绝技叫狮吼功，相传是少林七十二绝技之一，每一位看过武侠电视剧的读者也一定对其中的类似神功记忆深刻，音爆和这个有同样的功效。

图释：飞机产生的“音爆云”

战场上不留痕迹的炸弹

2005年，英国《卫报》报道过以色列军方使用战机音爆来恐吓巴勒斯坦人，就像炸弹爆炸一样的巨大声响响音爆被攻击区上方，会将建筑物墙体震开裂、玻璃震碎，使人听力受损，甚至耳朵和鼻子出现出血现象，是不留痕迹的炸弹。

出现以上现象的原因就与音爆有关。

把一颗石子投到水中，可看到水波。

声音之所以能够在空气中传播，也是因为空气在振动，声音在空气中大多数是以纵波的形式传播的，即声音从声源发出后，“耳朵”和声源中间的空气中膨胀和压缩，来回震荡，声音在标准大气压，15℃的外界环境温度下，速度是确定的340m/秒。

在发明喷气式飞机之前，人类从来没能达到过这个速度，刚开始出现喷气式飞机时，由于人们不懂音爆现象，很多试飞员献出了生命，因为当飞机达到音速时，飞行员就会感觉到飞机的阻力变得异常大，并且机身会出现剧烈震动，这就是“音障”，飞机突破音障时就会出现剧烈的响声，这就是音爆。

音障、音爆出现的根本原因

声音在空气中有极限传播速度，这是因为空气分子本来就很稀薄，稀薄的空气分子振动传播的最大速度就是340m/秒（标准大气压，15℃），如果飞机以低于音速的速度飞行，这时飞机前进方向上的空气分子虽然被压缩，但是还是向四周传播移动的，但是如果飞机的速度超过了这个速度，空气分子移动的速度低于飞机的速度，这时就会在飞机前面堆积、挤压形成一层屏障，在飞机的迎风面出现一个激波面，即音障，当飞机“捅破”这个激波面时就会发生音爆，激波面上的能量释放，空气剧烈摩擦，发出巨大的响声。