“神秘巨响”究竟是何人在渡劫？

来源: 科普中国 ┆ 时间: 2023-01-29 16:08:02

作者：中科院物理所新媒体中心

审核：罗会仟中国科学院物理研究所研究员

(资料图片)

“嘭”，大家是否在工作或者学习时被这种突如其来的巨响给吓到过？

当然，这种声音产生的原因有很多，比如地震，雷电等自然现象或者化工厂等意外爆炸事故。

但，还有一种特殊并且很常见的情况——音爆。

奇怪的爆炸声？

最近，新闻经常报道某些地区出现来源不明的爆炸声：

河南平顶山市11月3日凌晨出现神秘巨响，官方判断为音爆。

22年10月25日，湖南宁乡多地居民听到巨响。宁乡市应急管理局称调查证实是飞机音爆导致。

22年9月4日，成都上空也出现了巨响，后排除了地震等自然灾害，当地气象局表示为音爆现象。

除了列举的这三个例子，很多地区也都曾报道过音爆导致神秘巨响的情况。

那你会不会好奇音爆到底是什么？能有这么大的威力？

别急，下面就带大家进入音爆的世界

声音的物理

在介绍音爆之前先给大家介绍一下“音”，即声音的知识。

首先说说波，按照波传播的物质或能量的不同，波可以分成机械波、电磁波、引力波等。比如，机械波是由机械振动产生并且只能在弹性介质中传播机械能，波的形式包括横波（波动的方向垂直于传播方向）和纵波（波动的方向与传播方向平行）。电磁波是由电磁振荡产生并且不依靠介质传播光能，波的形式只有横波。

而声音本质是一种机械波，满足机械波的性质。产生声音必须需要振动波源，即存在能够维持振动而不间断发出机械波的物体。传播声音必须需要介质，即机械波传播所需的物质。在介质中机械波的速度是由介质本身的固有性质决定的，不同介质中，传播的速度是不同的。

传播速度对比|参考资料

那把波对应到我们声音三要素呢？响度（Loudness）就是波的振幅，音调（Pitch）就是波的频率，音色（Timbre）就是波的波形。

注：理想的真空情况下，人是无法在真空中听到手机闹铃的。

最后再介绍一下非常有名的多普勒效应。它以发现者克里斯蒂安·多普勒的名字命名，以公式的形式展现给大家就是这样的

是波在静止介质中的传播速度，为波源相对于介质的速度，为观察者相对于介质的速度，表示波源的频率。

我来这样解释这个公式：火车以恒定速度驶近时，因为汽笛机械波的频率变大，波被压缩然后进入你的耳朵，汽笛声音变得急促。当火车驶向远方时，因为汽笛机械波的频率变小，波拉伸然后进入你的耳朵，汽笛声音变得舒缓。

音爆的产生

介绍了“音”，那我们就进入正题：“爆”的产生。

以飞机飞行产生音爆为例：

当飞机飞行时，飞机产生的声音来自于飞机本身的引擎以及空气阻力（压缩空气）。对于后者，当飞机的速度大于空气中的声速（约340m/s）后，由于空气密度被压缩的无法向前传播，飞机表面与空气之间就产生了一层很薄的压缩层，压缩层内有很强的非线性效应，这个压缩层也被称为激波。

激波的产生就可以用我们刚刚提到的多普勒效应来解释，如下图

波源与波速的对比图 | 参考资料

飞机（波源）的速度超过声音（波）的速度以后，飞机的前方的压缩波会呈现出强叠加的状态，而这也就是激波的本质：压缩波的叠加形成的强间断****区域。所以激波的形成并不一定需要飞机完全超声速，只需要压缩波叠加到一定程度即可。（c）图的样子有个好听的名字：马赫锥（当波源运动速度高于波速时，波面的包络面呈圆锥状）。

并且有意思的是，我们必须在锥面内才能听到飞机“音爆”的声音，如果在圆锥以外，比如飞行员，他们就无法听到声音。

伴随着飞机“音爆”的出现也会有一个有趣的现象——“音爆云”，音爆云的学名，叫做“普朗特-格劳厄脱凝结云”。

这是因为激波层内的气压会骤增，飞机周围空气的水蒸气会迅速凝结成小水滴，从而产生云的效果。其实未完全达到声速的飞机也能产生“音爆云”，因为“音爆云”的关键在于激波层（缩波的叠加而形成的强间断区域激波层），而不是超音速。

最后给大家解释一下为什么有时候能听到两声巨响？

音爆的形成和传播 | 参考资料

实际情况中，飞机的机头和尾部会分别产生两个激波，一个前激波一个后激波。如果飞机的机身比较长，那么这两个激波互相的影响耦合就比较小，它们会分别到达我们的耳朵中，这样就能听到两声巨响。如果机身比较短，两个激波的耦合会很大，基本上会同时达到我们的耳朵中，这样我们就只能听到一声巨响。

常见的音爆

我们生活其实到处存在着“音爆”现象：小时候我们拿鞭子抽陀螺的时候，听到的“啪”的声音其实就是一个小型“音爆”；大爷大妈在公园甩的鞭子也是一个小型“音爆”。

大家还知道哪些音爆现象呢？

参考资料：

[1] 马大猷.现代声学理论基础.科学出版社.2004.3

[2] 张揽月，张明辉.振动与声基础.哈尔滨工程大学出版社.2016.12.