飛機與音爆

飛機與音爆 (Sonic Boom)
天主教曉明女子高級中學物理科李忠義老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

音爆是指當飛行器進行超音速飛行時，飛行器產生的衝擊波（shock waves）所造成的現象。音爆的產生伴隨巨大的聲音能量，聽起來猶如爆炸一般，故稱為音爆。子彈飛行時產生的聲響便是音爆的例子之一。

當物體在空氣中飛行時，空氣會在物體的前方與後方各自產生一壓力波（pressure waves），這些壓力波皆以聲音的速度傳播。當物體移動的速度越來越快時，由都卜勒效應（Doppler effect）可知，這些波在物體前方處會越靠越近。當物體速度等於音速，也就是所謂的馬赫數為1時（Mach 1，在海平面、室溫下大約等於1225 km/hr），壓力波將完全累積在運動物體的前方，如下圖(a)所示；其中 為聲源的速度， 為聲音在空氣中傳播的速率。當物體移動速度超過音速時，壓力波的速度跟不上物體速度，此時這些波將會擠壓在一起而形成圓錐形狀，擠壓的波稱為衝擊波，而圓錐狀則稱為馬赫錐（Mach cone），如下圖(b)所示。

考慮一架超音速飛機飛越上空，由上圖我們可以發現，飛機通過時，伴隨的圓錐狀衝擊波將『掃過』地面，且被掃過的地方猶如一條紅地毯，在這些地方的觀察者都可以聽到音爆聲，因此又稱為音爆地毯（boom carpet）。音爆地毯的寬度與飛機的高度有關。

另外對地面上的觀察者而言，飛機通過（音爆地毯掃過）時情況如下：當飛機機鼻通過時，機鼻產生的衝擊波會使氣壓急速上升再慢慢下降，且最後降得比一般大氣壓還低一些，接著機尾產生的衝擊波通過瞬間，將使氣壓急速回到一般大氣壓。然而我們知道，聲音的產生來自於空氣壓力的變化，因此上面提到，機鼻通過產生的氣壓急速上升，與機尾通過後急速回到一大氣壓的現象，都會使觀察者感受到巨大聲響，此即為產生音爆的原因。另外從以上分析我們也可以知道，超音速飛機通過時，理論上我們應該會聽到兩次音爆聲，一次來自機鼻通過時氣壓陡升，一次來自機尾通過後氣壓陡降。

參考資料
1.維基百科–聲爆  http://en.wikipedia.org/wiki/Sonic_boom