音爆問題——卡特林納卡奧里

飛行速度比聲音還快的物體（如超快的飛機）會產生衝擊波，伴隨著像雷聲一樣的聲音：音爆。這雄壯的聲音可能會對人類和動物有不好的影響，甚至會破壞附近的建築物。卡特林納卡奧里在這支影片中，詳細說明科學家如何用數學來預測音爆在大氣中的路徑、會落在什麼位置，以及會有多大聲。

完整課程：http://ed.ted.com/lessons/what-causes-sonic-booms-katerina-kaouri
課程：卡特林納卡奧里
動畫：安東柏加堤

多年來，人類一直都對速度很著迷。

人類的進步史也是
一段不斷加速的歷史，

而在這場歷史賽跑中
最重要的成就之一，

就是突破音障。

在飛機最早成功飛行之後不久，

飛行員們就渴望
不斷刷新飛行速度記錄。

但是當他們試著加速時，

亂流增加以及空氣阻力，
迫使他們無法再加速。

有些人試圖用危險的俯衝
來避開這些障礙，

結果通常都很不幸。

終於，1947年，設計上的改良，

比如可動式水平安定面，
也叫全動尾翼，

讓一位名叫查克耶格的
美國軍方飛行員

駕駛貝爾 X-1 飛機的速度

達到每小時 1127 公里。

成為第一個突破音障的人，

用比聲音更快的速度飛行。

在貝爾 X-1 之後，
又出現了許多超音速飛機，

後來的設計可以超過三馬赫。
（註：三倍音速）

以超音速飛行的飛機，
會產生衝擊波，

會發出雷聲般的噪音，
就是所謂的音爆，

會對底下的人類和動物有不良影響，

或甚至會損壞建築物。

因此世界各地的科學家
一直在研究音爆，

試圖預測它們在大氣中的路徑、

會落在哪裡，以及會多大聲。

為更了解科學家如何研究音爆，

咱們先從一些聲音的基本知識談起。

想像把一顆小石頭丟入一池靜水中。

你會看到什麼？

石頭引起的水波在水中移動，

朝每個方向前進的速度都相同。

這些半徑不斷增加的圓圈稱為波前。

同樣的，即使肉眼無法看見，

一個固定聲源，比如家庭音響，

會產生向外傳播的聲波。

聲波的速度取決於多種因素，

像高度和它們穿越之空氣的氣溫。

在海平面上，聲速約為
每小時 1225 公里。

但這裡的波前
不是二維平面的同心圓，

而是三維空間的同心球，

聲音會沿著與這些球面
垂直的路徑傳播。

現在想像一個移動的聲源，
如火車的汽笛。

隨著聲源不斷朝某個方向移動，

火車前方的連續聲波會被擠在一起。

波頻因而增加，
這就是著名的都卜勒效應，

接近中的物體聽起來的音調比較高。

但只要聲源移動的速度
比聲波的本身慢，

聲波就能保持一個個套疊的狀態。

當物體以超音速前進，
移動得比它發出的聲音更快，

情況就會截然不同。

因為它會追上它自己放出的聲波，

同時會在當下的位置
產生新的聲波，

聲波會被迫疊在一起，
形成一個馬赫錐。

當它靠近觀察者時，
不會聽見任何聲音，

因為該物體移動的速度
比它產生的聲音更快。

只有在該物體已經經過之後，
觀測者才會聽到音爆。

馬赫錐接觸地面時會形成雙曲線，

當它向前移動時，會拖曳出
一條軌跡，稱為音爆接地區域。

這樣便可判斷受音爆影響的區域。

那要如何得知音爆的強度呢？

這就涉及如何解出著名的
納維爾－斯托克斯方程，

來算出因為超音速飛機通過空氣，

而在空氣中造成的壓力變化。

這導致壓力特徵「N 波」。

這形狀有什麼意義？

當壓力突然改變時，就會發生音爆，

而 N 波和兩次音爆有關：

第一次發生在飛機
機鼻的初始壓力上升，

另一次是在機尾穿過的時候，

然後壓力就會突然返回正常狀態。

這會導致雙重音爆，

但人耳通常只能聽到一次音爆聲。

在實做上，利用這些
原則建立的電腦模型

通當可以針對給定的
大氣條件和飛行軌跡，

來預測音爆的位置和強度，

目前還有關於減低
音爆影響的研究在進行中。

在這之前，仍然禁止
以超音速飛過陸地上空。

所以，音爆是近期
才創造出來的產物嗎？

不完全是。

雖然我們試著尋找
讓音爆靜音的方式，

其他少數幾種動物已經懂得
運用音爆的好處了。

巨大的梁龍也許能
猛力揮擊牠的尾巴，

速度比音速還快，
達每小時 1200 公里，

目的可能是為了威懾掠食者。

某些類型的蝦子可以
在水中製造類似的衝擊波，

只需要彈一下巨型的鉗子，

就能驚嚇甚至殺死遠處的獵物。

所以，雖然人類對速度的持續追求

已經有巨大的進展，

結果發現，大自然早就搶先了一步。