1
00:00:05,900 --> 00:00:10,313
多年來，人類一直都對速度很著迷。

2
00:00:10,313 --> 00:00:14,746
人類的進步史也是
一段不斷加速的歷史，

3
00:00:14,746 --> 00:00:18,611
而在這場歷史賽跑中
最重要的成就之一，

4
00:00:18,611 --> 00:00:21,153
就是突破音障。

5
00:00:21,503 --> 00:00:24,691
在飛機最早成功飛行之後不久，

6
00:00:24,691 --> 00:00:29,643
飛行員們就渴望
不斷刷新飛行速度記錄。

7
00:00:29,773 --> 00:00:32,134
但是當他們試著加速時，

8
00:00:32,134 --> 00:00:37,298
亂流增加以及空氣阻力，
迫使他們無法再加速。

9
00:00:37,508 --> 00:00:41,647
有些人試圖用危險的俯衝
來避開這些障礙，

10
00:00:41,647 --> 00:00:43,925
結果通常都很不幸。

11
00:00:43,925 --> 00:00:47,550
終於，1947年，設計上的改良，

12
00:00:47,550 --> 00:00:52,202
比如可動式水平安定面，
也叫全動尾翼，

13
00:00:52,202 --> 00:00:55,521
讓一位名叫查克耶格的
美國軍方飛行員

14
00:00:55,521 --> 00:00:58,511
駕駛貝爾 X-1 飛機的速度

15
00:00:58,511 --> 00:01:03,621
達到每小時 1127 公里。

16
00:01:03,621 --> 00:01:06,794
成為第一個突破音障的人，

17
00:01:06,794 --> 00:01:09,640
用比聲音更快的速度飛行。

18
00:01:09,720 --> 00:01:13,929
在貝爾 X-1 之後，
又出現了許多超音速飛機，

19
00:01:13,929 --> 00:01:17,873
後來的設計可以超過三馬赫。
（註：三倍音速）

20
00:01:17,913 --> 00:01:21,573
以超音速飛行的飛機，
會產生衝擊波，

21
00:01:21,573 --> 00:01:25,582
會發出雷聲般的噪音，
就是所謂的音爆，

22
00:01:25,582 --> 00:01:29,179
會對底下的人類和動物有不良影響，

23
00:01:29,179 --> 00:01:31,010
或甚至會損壞建築物。

24
00:01:31,070 --> 00:01:35,080
因此世界各地的科學家
一直在研究音爆，

25
00:01:35,095 --> 00:01:37,788
試圖預測它們在大氣中的路徑、

26
00:01:37,788 --> 00:01:41,401
會落在哪裡，以及會多大聲。

27
00:01:41,851 --> 00:01:45,150
為更了解科學家如何研究音爆，

28
00:01:45,150 --> 00:01:48,128
咱們先從一些聲音的基本知識談起。

29
00:01:48,198 --> 00:01:51,711
想像把一顆小石頭丟入一池靜水中。

30
00:01:51,711 --> 00:01:53,177
你會看到什麼？

31
00:01:53,177 --> 00:01:55,875
石頭引起的水波在水中移動，

32
00:01:55,875 --> 00:01:58,540
朝每個方向前進的速度都相同。

33
00:01:58,570 --> 00:02:02,887
這些半徑不斷增加的圓圈稱為波前。

34
00:02:03,337 --> 00:02:05,904
同樣的，即使肉眼無法看見，

35
00:02:05,904 --> 00:02:09,306
一個固定聲源，比如家庭音響，

36
00:02:09,306 --> 00:02:12,119
會產生向外傳播的聲波。

37
00:02:12,119 --> 00:02:14,330
聲波的速度取決於多種因素，

38
00:02:14,330 --> 00:02:18,110
像高度和它們穿越之空氣的氣溫。

39
00:02:18,110 --> 00:02:24,103
在海平面上，聲速約為
每小時 1225 公里。

40
00:02:24,303 --> 00:02:28,370
但這裡的波前
不是二維平面的同心圓，

41
00:02:28,370 --> 00:02:30,732
而是三維空間的同心球，

42
00:02:30,732 --> 00:02:35,501
聲音會沿著與這些球面
垂直的路徑傳播。

43
00:02:35,661 --> 00:02:39,906
現在想像一個移動的聲源，
如火車的汽笛。

44
00:02:39,906 --> 00:02:43,034
隨著聲源不斷朝某個方向移動，

45
00:02:43,034 --> 00:02:47,566
火車前方的連續聲波會被擠在一起。

46
00:02:47,566 --> 00:02:52,636
波頻因而增加，
這就是著名的都卜勒效應，

47
00:02:52,636 --> 00:02:55,729
接近中的物體聽起來的音調比較高。

48
00:02:55,729 --> 00:02:59,927
但只要聲源移動的速度
比聲波的本身慢，

49
00:02:59,927 --> 00:03:02,756
聲波就能保持一個個套疊的狀態。

50
00:03:02,756 --> 00:03:07,771
當物體以超音速前進，
移動得比它發出的聲音更快，

51
00:03:07,771 --> 00:03:10,527
情況就會截然不同。

52
00:03:10,527 --> 00:03:13,200
因為它會追上它自己放出的聲波，

53
00:03:13,200 --> 00:03:15,702
同時會在當下的位置
產生新的聲波，

54
00:03:15,702 --> 00:03:19,820
聲波會被迫疊在一起，
形成一個馬赫錐。

55
00:03:19,820 --> 00:03:22,808
當它靠近觀察者時，
不會聽見任何聲音，

56
00:03:22,808 --> 00:03:27,478
因為該物體移動的速度
比它產生的聲音更快。

57
00:03:27,478 --> 00:03:32,631
只有在該物體已經經過之後，
觀測者才會聽到音爆。

58
00:03:33,051 --> 00:03:37,007
馬赫錐接觸地面時會形成雙曲線，

59
00:03:37,007 --> 00:03:41,306
當它向前移動時，會拖曳出
一條軌跡，稱為音爆接地區域。

60
00:03:41,306 --> 00:03:46,123
這樣便可判斷受音爆影響的區域。

61
00:03:46,253 --> 00:03:49,303
那要如何得知音爆的強度呢？

62
00:03:49,303 --> 00:03:52,869
這就涉及如何解出著名的
納維爾－斯托克斯方程，

63
00:03:52,869 --> 00:03:56,265
來算出因為超音速飛機通過空氣，

64
00:03:56,265 --> 00:03:59,356
而在空氣中造成的壓力變化。

65
00:03:59,356 --> 00:04:03,853
這導致壓力特徵「N 波」。

66
00:04:03,853 --> 00:04:05,483
這形狀有什麼意義？

67
00:04:05,483 --> 00:04:09,506
當壓力突然改變時，就會發生音爆，

68
00:04:09,506 --> 00:04:11,918
而 N 波和兩次音爆有關：

69
00:04:11,918 --> 00:04:15,497
第一次發生在飛機
機鼻的初始壓力上升，

70
00:04:15,497 --> 00:04:18,349
另一次是在機尾穿過的時候，

71
00:04:18,349 --> 00:04:20,947
然後壓力就會突然返回正常狀態。

72
00:04:20,957 --> 00:04:23,130
這會導致雙重音爆，

73
00:04:23,130 --> 00:04:26,286
但人耳通常只能聽到一次音爆聲。

74
00:04:26,636 --> 00:04:29,878
在實做上，利用這些
原則建立的電腦模型

75
00:04:29,888 --> 00:04:34,443
通當可以針對給定的
大氣條件和飛行軌跡，

76
00:04:34,443 --> 00:04:37,436
來預測音爆的位置和強度，

77
00:04:37,626 --> 00:04:40,738
目前還有關於減低
音爆影響的研究在進行中。

78
00:04:40,738 --> 00:04:45,139
在這之前，仍然禁止
以超音速飛過陸地上空。

79
00:04:45,599 --> 00:04:48,572
所以，音爆是近期
才創造出來的產物嗎？

80
00:04:48,572 --> 00:04:50,088
不完全是。

81
00:04:50,088 --> 00:04:52,516
雖然我們試著尋找
讓音爆靜音的方式，

82
00:04:52,516 --> 00:04:56,185
其他少數幾種動物已經懂得
運用音爆的好處了。

83
00:04:56,185 --> 00:05:00,954
巨大的梁龍也許能
猛力揮擊牠的尾巴，

84
00:05:00,998 --> 00:05:05,557
速度比音速還快，
達每小時 1200 公里，

85
00:05:05,557 --> 00:05:07,797
目的可能是為了威懾掠食者。

86
00:05:07,867 --> 00:05:12,437
某些類型的蝦子可以
在水中製造類似的衝擊波，

87
00:05:12,437 --> 00:05:15,693
只需要彈一下巨型的鉗子，

88
00:05:15,693 --> 00:05:19,493
就能驚嚇甚至殺死遠處的獵物。

89
00:05:19,733 --> 00:05:22,723
所以，雖然人類對速度的持續追求

90
00:05:22,723 --> 00:05:24,313
已經有巨大的進展，

91
00:05:24,413 --> 00:05:27,603
結果發現，大自然早就搶先了一步。