撰文 / 張德良 (中國科學院力學研究所)
當你在音樂會或者演唱會現場聽到悅耳的歌聲時，你一定會感覺到聲音是多麼優美動聽，但是，你會想到聲音也會「爆炸」嗎？是的，聲音在一定條件下會發生可怕的「爆炸」，伴隨著聲爆（音爆）還有可能出現聲爆雲（音爆雲）等一些奇特的現象。讓我們一起認識一下聲音「爆炸」產生的現象吧。
破解聲爆的形成「密碼」
聲爆是發生在自然界裡的一種物理現象。
現在先讓我們來看看汽艇在水中航行的情況。由於汽艇航行過程中對水產生擾動，在水中會產生水波，水波在汽艇四周向各個方向擴散，同時，我們在航行方向兩側可以看到兩道三角形的水痕跡，向外推開。
當飛行器在空中飛行時，也會產生擾動，擾動也會在空氣中產生聲波，這時空氣中的聲波也會向飛行器四周擴散。
如果是亞聲速飛行（速度比聲速小）飛行器的速度追不上聲波傳播速度。這時會像汽艇在水中航行一樣，在空氣中聲波會向四周各個方向擴散，同時在尾部產生兩道三角形的氣流痕跡（飛行表演時我們看見的尾部彩色帶就是氣流痕跡）。
當飛行器以聲速或超聲速飛行時，由於飛行器飛行速度比聲速要快，聲波就不能像亞聲速飛行一樣，向四周各個方向傳播了，這些聲波會全部疊加在一起，在飛行器的頭部和突出部形成錐形激波。飛行器在聲速飛行的特殊情況下，錐形激波退化為一個平面波。
無論是錐形激波還是平面激波都聚集了大量的聲學能量。這些能量傳到地面上人們的耳朵里時，耳鼓膜感受到空氣壓強突然增加，讓人們感受到短暫、而又極其強烈的、雷鳴般的爆炸聲，這就是聲爆（音爆）。
一般說來，超聲速飛行器飛行時往往會形成兩道激波：一道激波包裹機頭前部，另一道激波在機身後部。它們差不多同時傳播到地面，並在地面上反射，形成一個N形反射激波。因此，在一般情況下，我們在遇到聲爆時，常常可能會聽到兩聲「爆炸」聲。
「仙氣飄飄的裙子」——聲爆雲
伴隨飛行器高速飛行產生聲爆的同時，飛行器頭部的激波後面的壓力和溫度增高，但在飛行器尾部後面卻會出現低溫和低壓區，這就改變了尾部後面的空氣狀態，使空氣中的水氣在新的條件下發生凝結，形成雲霧，這就是人們常說的「聲爆雲（音爆雲）」。
聲爆雲和錐形激波形狀類似，呈現錐形狀，和飛行器的機身垂直，通常只能持續幾秒鐘。但是，並不是在每架飛行器在飛行中都會產生聲爆雲現象。聲爆雲的出現不僅和激波強度有關，還和周圍空氣的氣象條件（濕度、溫度、飽和度以及凝結核等）有密切的關係。因此，只能在特定的天氣條件下才會出現聲爆雲。
除了飛行器會產生聲爆外，日常生活中也會看到聲爆現象。例如，馬車夫甩鞭子催馬快跑，公園裡人們甩鞭子鍛鍊或抽陀螺健身時，小小皮鞭都會發出的啪啪啪的聲音，這就是一次次小小的聲爆。儘管人們甩鞭子的手臂速度並不快，但鞭子的鞭梢速度非常快，可以突破聲速產生聲爆，這也可能是人類最早突破聲速的嘗試。
迷惑龍居然自帶鞭子？
人類其實並不是最早產生聲爆現象的物種。1.5億年前的侏羅紀有一種叫迷惑龍的恐龍，它體型巨大，臀部可達4.5米高，尾巴有十幾米長，尾巴根部厚度超過1米，但是，尾巴尖端卻像現代人的小指一樣細。這樣秀美的尾巴尖使其尾部過於脆弱，因此不能攻擊襲擊者。那麼它的尾巴的作用是什麼呢？科學家猜想，迷惑龍是用它的尾巴作鞭子，在空氣中甩動時可以發出巨響，以此嚇走捕食者，甚至在交配時可以在潛在的配偶面前炫耀，從而獲得青睞。
根據這一猜想，科學家利用計算機和數學模型，對迷惑龍的尾巴甩動進行了計算機模擬，還用模擬實驗來驗證，結果證明，迷惑龍甩尾巴的速度確實可能超過聲速，因此可能會產生聲爆。
聲爆危害有多大？
超聲速飛行器產生的聲爆的傳播範圍很廣，能量也是非常大的。因為飛行器上的激波是附著在機體上，跟著飛行器一起飛行的。因此在速度和高度都合適的條件下，沿著飛行器飛行軌跡下面，一路上都會聽到聲爆的聲音。例如，當飛行器飛行速度是2倍聲速、高度是3000米時，人們可在60千米的範圍內都聽到聲爆的聲音。
當飛行器在低空做超聲速飛行時，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築物，造成直接的經濟損失。由於聲爆發生的時間短暫，對戶外空曠工作的人們影響不大。而對在室內工作的人們來說就不一樣了，儘管在室內聲爆的壓強要小很多，但經過壁面多次反射後會形成共鳴，持續時間會變得較長，因此，對室內工作的人們影響還是較大的。
如果我們把聲爆的壓強換算成更直觀的聲強：100帕的壓強大約相當於133分貝。這時聲爆引起的噪聲對人體的傷害還是很嚴重的，特別對人的耳膜會有傷害。儘管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時，就會有頭痛，焦慮、失眠和血壓升高等症狀。據臨床醫學統計，有50%的聽到聲爆的人們可能會造成耳聾。
此外，除了對地面上的人們的身體和生活有影響，聲爆對飛行器本身也會造成一定的損壞。如果飛行器長期多次遭遇聲爆，就會使機體金屬結構性能下降。所以人們一直在努力防止飛行器飛行時產生聲爆。
影響聲爆產生的因素很多，例如飛行速度、高度、航線和周圍的氣象條件等。一般而言，人們對於飛行速度、高度和航線等因素是可以控制的，但對於氣象條件和接近地面的湍流狀態等是無法控制的。目前為了消除飛行器飛行時產生聲爆，科技人員主要在超聲速飛行器的設計、製造和控制等方面，通過改善飛行器的氣動外形、關鍵部件的材料性能、提高飛行器消音器性能和設置隔音裝置等。
對在空曠的地面上工作的人們來說，要防止和減少聲爆危害，基本上沒有很好的辦法，因為發生和感受聲爆的偶然性很大。但對於生活在經常發生聲爆範圍內的人們，最好的方法只有建造隔音好的、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載上耳罩和做好全身保護。
本文來自《知識就是力量》雜誌，原標題《聲音會「爆炸」嗎？——聲爆與聲爆雲現象》，作者張德良，有刪改，原創作品轉載請註明來源。