WEBVTT

00:00:05.900 --> 00:00:10.313
多年來，人類一直都對速度很著迷。

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，

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，

00:00:18.611 --> 00:00:21.153
就是突破音障。

00:00:21.503 --> 00:00:24.691
在飛機最早成功飛行之後不久，

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。

00:00:29.773 --> 00:00:32.134
但是當他們試著加速時，

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。

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，

00:00:41.647 --> 00:00:43.925
結果通常都很不幸。

00:00:43.925 --> 00:00:47.550
終於，1947年，設計上的改良，

00:00:47.550 --> 00:00:52.202
比如可動式水平安定面，
也叫全動尾翼，

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

00:00:55.521 --> 00:00:58.511
駕駛貝爾 X-1 飛機的速度

00:00:58.511 --> 00:01:03.621
達到每小時 1127 公里。

00:01:03.621 --> 00:01:06.794
成為第一個突破音障的人，

00:01:06.794 --> 00:01:09.640
用比聲音更快的速度飛行。

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，

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）

00:01:17.913 --> 00:01:21.573
以超音速飛行的飛機，
會產生衝擊波，

00:01:21.573 --> 00:01:25.582
會發出雷聲般的噪音，
就是所謂的音爆，

00:01:25.582 --> 00:01:29.179
會對底下的人類和動物有不良影響，

00:01:29.179 --> 00:01:31.010
或甚至會損壞建築物。

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，

00:01:35.095 --> 00:01:37.788
試圖預測它們在大氣中的路徑、

00:01:37.788 --> 00:01:41.401
會落在哪裡，以及會多大聲。

00:01:41.851 --> 00:01:45.150
為更了解科學家如何研究音爆，

00:01:45.150 --> 00:01:48.128
咱們先從一些聲音的基本知識談起。

00:01:48.198 --> 00:01:51.711
想像把一顆小石頭丟入一池靜水中。

00:01:51.711 --> 00:01:53.177
你會看到什麼？

00:01:53.177 --> 00:01:55.875
石頭引起的水波在水中移動，

00:01:55.875 --> 00:01:58.540
朝每個方向前進的速度都相同。

00:01:58.570 --> 00:02:02.887
這些半徑不斷增加的圓圈稱為波前。

00:02:03.337 --> 00:02:05.904
同樣的，即使肉眼無法看見，

00:02:05.904 --> 00:02:09.306
一個固定聲源，比如家庭音響，

00:02:09.306 --> 00:02:12.119
會產生向外傳播的聲波。

00:02:12.119 --> 00:02:14.330
聲波的速度取決於多種因素，

00:02:14.330 --> 00:02:18.110
像高度和它們穿越之空氣的氣溫。

00:02:18.110 --> 00:02:24.103
在海平面上，聲速約為
每小時 1225 公里。

00:02:24.303 --> 00:02:28.370
但這裡的波前
不是二維平面的同心圓，

00:02:28.370 --> 00:02:30.732
而是三維空間的同心球，

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。

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。

00:02:39.906 --> 00:02:43.034
隨著聲源不斷朝某個方向移動，

00:02:43.034 --> 00:02:47.566
火車前方的連續聲波會被擠在一起。

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，

00:02:52.636 --> 00:02:55.729
接近中的物體聽起來的音調比較高。

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，

00:02:59.927 --> 00:03:02.756
聲波就能保持一個個套疊的狀態。

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，

00:03:07.771 --> 00:03:10.527
情況就會截然不同。

00:03:10.527 --> 00:03:13.200
因為它會追上它自己放出的聲波，

00:03:13.200 --> 00:03:15.702
同時會在當下的位置
產生新的聲波，

00:03:15.702 --> 00:03:19.820
聲波會被迫疊在一起，
形成一個馬赫錐。

00:03:19.820 --> 00:03:22.808
當它靠近觀察者時，
不會聽見任何聲音，

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。

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。

00:03:33.051 --> 00:03:37.007
馬赫錐接觸地面時會形成雙曲線，

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。

00:03:41.306 --> 00:03:46.123
這樣便可判斷受音爆影響的區域。

00:03:46.253 --> 00:03:49.303
那要如何得知音爆的強度呢？

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，

00:03:52.869 --> 00:03:56.265
來算出因為超音速飛機通過空氣，

00:03:56.265 --> 00:03:59.356
而在空氣中造成的壓力變化。

00:03:59.356 --> 00:04:03.853
這導致壓力特徵「N 波」。

00:04:03.853 --> 00:04:05.483
這形狀有什麼意義？

00:04:05.483 --> 00:04:09.506
當壓力突然改變時，就會發生音爆，

00:04:09.506 --> 00:04:11.918
而 N 波和兩次音爆有關：

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，

00:04:15.497 --> 00:04:18.349
另一次是在機尾穿過的時候，

00:04:18.349 --> 00:04:20.947
然後壓力就會突然返回正常狀態。

00:04:20.957 --> 00:04:23.130
這會導致雙重音爆，

00:04:23.130 --> 00:04:26.286
但人耳通常只能聽到一次音爆聲。

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

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，

00:04:34.443 --> 00:04:37.436
來預測音爆的位置和強度，

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。

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。

00:04:45.599 --> 00:04:48.572
所以，音爆是近期
才創造出來的產物嗎？

00:04:48.572 --> 00:04:50.088
不完全是。

00:04:50.088 --> 00:04:52.516
雖然我們試著尋找
讓音爆靜音的方式，

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。

00:04:56.185 --> 00:05:00.954
巨大的梁龍也許能
猛力揮擊牠的尾巴，

00:05:00.998 --> 00:05:05.557
速度比音速還快，
達每小時 1200 公里，

00:05:05.557 --> 00:05:07.797
目的可能是為了威懾掠食者。

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，

00:05:12.437 --> 00:05:15.693
只需要彈一下巨型的鉗子，

00:05:15.693 --> 00:05:19.493
就能驚嚇甚至殺死遠處的獵物。

00:05:19.733 --> 00:05:22.723
所以，雖然人類對速度的持續追求

00:05:22.723 --> 00:05:24.313
已經有巨大的進展，

00:05:24.413 --> 00:05:27.603
結果發現，大自然早就搶先了一步。