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