人类已经痴迷于速度很多年了
人类的进步史就是一部不断加速的速度史
而其中最重要的成就之一
就是突破音障
飞机成功试飞后不久
飞行员们越来越追求高度
然而，剧烈的颠簸
和巨大的阻力阻止了他们前行的脚步
其中一些飞行员尝试规避高速飞行的风险
但结果常常是悲剧性的
1947年，飞行器设计水准得到了提高
可调水平尾翼，又叫全动尾翼的出现
使一名名叫查克·叶格的美国空军飞行员
驾驶X-1试验机飞行度速度达到1127千米/秒
成为第一个突破音速
飞得比声音还快的人
X-1试验机是许多超音速飞机模仿的对象
之后有些飞机的航速甚至能突破3马赫
飞机在超音速飞行时会产生冲击波
像雷鸣一样的声音，就是我们熟知的音爆
音爆会危害附近的人畜
甚至伤及周边建筑物
因此
全世界的科学家们开始研究音爆
试图阻止其在大气中传播
研究它的响度，以及何时停止
为了更好的理解科学家研究音爆
我们拿一些最基本的声音举例子
想象往平静的池塘扔小石子
看到了什么？
小石子引发的波浪在水中传播
所有方向的速度都一样
这些半径持续扩大的圆圈叫做波阵面
同样，虽然我们看不见
一个像家庭音响那样的固定声源
在制造向外的声波
波向外传播的速度取决于
海拔、气温等因素
在海平面高度，音速约为1225千米/秒
与二维位表面上的圆圈不同
波阵面是同心球面
声音沿射线传播，垂直于波阵面
想象一个移动声源，比如火车汽笛
持续朝同一方向移动
声源前方的波会聚拢
增大的波频便引发了著名的多普勒效应
——接近观测者的物体声调会变高
但只要声源移动的速度比声波传播的速度慢
他们就会保持相互嵌套的状态不变
只有当物体以超音速移动，比它自己发出的声音还快的时候
波的图像才会发生巨大变化
当它超越了自己先前发射的声波
同时又生成了新的声波
波们就被迫挤在一起了，形成了马赫锥
当它靠近时，观测者听不到任何声音
因为物体比它自己制造的声音还快
只有物体超越观测者之后，观测者才能听见音爆
马赫锥接触地面形成一条双曲线
当它前行时留下一条轨迹叫做超音速爆音区
这可以用来划分受音爆影响的区域
如何计算音爆的强度？
可以通过求解著名的纳维-斯托克斯方程
来找寻空气中气压的变化
因为超音速飞机是在空气中飞行的
由此导致了名叫N波的压力场特征
这个形状表示什么？
音爆的出现是由于气压骤变
N波包括两个爆炸：
一个在机头气压骤升时
另一个在机尾越过马赫锥时
气压瞬间恢复正常
这导致了两次爆炸
但人类通常只听到一声爆炸
飞行中，电脑模型利用这个原理
以及提供的航行轨道和空气数据
常能预测音爆的位置和强度
关于减弱音爆的研究也正在进行
与此同时，超音速飞机仍不允许飞越土地上空
所以，音爆是近期的发明吗？
不是。
当我们还在找寻降噪的途径时
很多动物们已经在利用音爆了
梁龙似乎能让它的尾巴通过敲击达到1200千米/秒的速度
来威慑捕食者
某些种类的虾也能在水下制造相似的冲击波
只需弹一下它巨大的钳子
就能远距离惊吓甚至杀死被食者
所以当人类在对速度不懈的追求中
取得了重大进步时
却发现大自然早已先行一步