声爆
飞机超音速飞行时产生的爆炸声
声爆就是飞机或其他物体以等于或超过音速的速度飞行时产生的冲击波,在地面上可听到如雷鸣般的声音。声爆是飞行器超声速飞行特有的声学现象。超声速飞行时,飞行器各个部件(机翼、尾翼和进气道等)及发动机羽流都会对周围空气产生强烈扰动,形成一系列激波系与膨胀波系。在向地面传播过程中,这些波系之间相互作用,最后在地面形成头尾两道激波。当这两道激波扫掠过地面时,观察者会听到类似爆炸的声音,所以称之为“声爆”。除了超音速飞机之外,外层空间进入地球大气层的流星石陨石,也会因为超过音速而产生声爆现象。
1945年,前苏联著名物理学家列夫·达维多维奇·朗道预测了声爆现象。1947年美国X-1 超声速飞行技术验证机实现超音速飞行,地面测试团队也监测到了声爆的信号,这也标志着声爆问题正式走进研究者的视野。20世纪50年代后,不但大量军用超声速飞机出现,而且超声速运民用飞机协和号和图-144也投入运营。同时军用和民用航空器超声速飞行的造成的声爆现象却引发一系列社会问题,声爆问题开始受到关注,掀起了声爆飞行试验研究第一波热潮。
声爆问题的危害,主要是对地面大范围人群形成突然的高分贝噪音并产生恐慌心理,因此成为民用航空器超声速飞行面临的主要障碍。国际民航组织(ICAO)多数成员国禁止民用航空器在大陆及其近海岸线区域上空超声速飞行。由于超音速客机是未来商业航空的重点发展方向,因此超音速飞机的声爆遏制技术,也成为超声速民机优化设计的重点内容。
在声爆抑制技术研究中,气动外形优化是超声速民用飞机声爆抑制最有效的手段。气动外形综合设计则成为超声速飞行器减阻/低声爆抑制的核心工作。同时开展声爆飞行试验,并对声爆进行全传播路径测量,对研制新一代低声爆超声速航空器具有重要意义。国际民航组织称,正在努力制定未来超音速飞机的标准,预计超音速飞机的认证可能会在 2020 年至 2025 年期间进行。
现象描述
声爆是飞行器超声速飞行特有的声学现象。飞行器超声速飞行时,其各个部件(包括机翼、尾翼和进气道等)及发动机羽流都会对周围空气产生强烈扰动,形成一系列激波系与膨胀波系。在向地面传播过程中,这些波系之间相互作用,最后在地面形成头尾两道激波。当这两道激波扫掠过地面时,观察者会听到类似爆炸的声音,所以称之为“声爆”。由于声爆存在前后两道激波,一般情况下,人们会听到两次爆炸声,然而当持续时间小于0.1秒时,人耳无法区分前后激波引起的压强变化,则只会听到一次巨大的爆炸声。如果飞机进入超音速巡航阶段,那么在飞机航线两侧数十公里的区域,地面上的人都能听到声爆。这些声爆不但会让人感到烦躁甚至恐惧,而且在一定条件下会对建筑物结构造成负面影响。
因此研发超音速民用航空器的主要障碍之一就是声爆,因为商业飞机会经过城市地区,而声爆将会给沿线居民带来巨大困扰。因此国际民航组织(ICAO)多数成员国禁止民用航空器在大陆及其近海岸线区域上空超声速飞行。而历史上出现的超声速民用飞机“协和”号在诞生后一直遭遇很大阻力,最后退出商业运营。
此外各类媒体上经常发布高速飞行的作战飞机在机体周围形成的圆锥形雾状云团的壮观照片和视频,同时将此现象称为飞机突破声障及其伴随的“声爆云”现象。实际这类圆锥形雾状云团并不是“声爆云”,而是低亚音速不规则凝结云或者高亚声速锥形凝结云。实际人们在地面很难拍摄到真正的“声爆云”,因为一般超音速战机不会在超低空进行飞行,而在高空又相对湿度低,不会发生水汽凝结现象。
除了超音速飞机之外,外层空间进入地球大气层流星石陨石,也会因为超过音速而产生声爆现象。此外在经过训练后,普通人用力快速挥舞皮鞭,也能产生“噼啪”的声爆声音。鞭子越细,鞭子移动的速度就越快,结果是鞭子的尖端移动得最快,甚至可以突破音速产生声爆。
原理解释
声音和声速
声音是由物体振动产生的声波,通过介质空气、固体或液体等介质传播,最后被人或动物听觉器官所感知。声音是一种纵波的压力波,而不是横波。声波的速度取决于压力波在介质中的移动速度。声音在空气中的速度是340米/秒,在水中达到1497米/秒,在铁金属这类固体中则会达到5200米/秒。人耳在空气中感受声音主要有两个指标:频率和分贝。频率又叫音高,声波的频率越高音高就越高,反之则低。笛子声或者鸟鸣声都是高频率的声音,雷鸣声和乐器贝斯都是低频率的声音。而分贝是声音强度,每增加6个分贝,声压强度就会加倍。一般响亮的雷声为110分贝。
多普勒现象
在人行道上,一辆警车或救护车鸣着警笛沿着街道疾驰时,街上的行人会注意到警报声的音调存在明显差异,具体取决于车辆是驶近还是驶离。当声源驶近时,频率变高;当声源远离时,频率变低。当车辆驶过时,音调就会发生变化,会听到熟悉的“呜呜”声。观察者接受到波的频率与移动的波源发出的频率并不相同的现象,被称为多普勒现象。假设一架飞机以一半音速(0.5 马赫)飞行并发出频率为 2000赫兹的声音信号,对于地面的人来说听到,在飞机飞过来时听到的声音频率为4000赫兹,而飞机远离后的听到的声音频率为1333赫兹。
声爆的产生
当飞机在空中飞行时,空气中的分子会被巨大的力量推到一边,形成声波。飞机移动得越快,这些波离得越近,但只要飞机的速度不超过声速,这些波就不会相互碰撞。但是当飞机的速度超过音速,就会形成一个由加压或积聚的空气分子组成的“圆锥体”,也就是马赫锥。
对于一架超音速飞机来说,超声流速中既有激波系也有膨胀波系,飞机体积和产生的升力对激波系和膨胀波系都会产生影响。如果飞机的体积越大,横截面越粗,飞机在超音速状态时,飞机周围的空气密度、温度和压力增加的就越大,激波的强度也就越大。同时飞机在空中依靠升力来飞行。对于超音速飞机来说,激波系都在飞机的下表面高压区,而膨胀波系都在飞机上表面的低压区。升力越大,激波系和膨胀波系的扰动越大。而声爆产生的原因,就是这些激波与膨胀波系的扰动,最后从飞机的头部和尾部,两道激波以音速速度沿着各自的后马赫锥方向对地面传播。而飞机体积越大,横截面越粗,重量越大,激波产生的声爆强度越高。声爆信号通常在地面呈现类似字母“N”的形状,称为“N型波“。
声爆对航线下地面初次作用的区域为初级影响域,初级影响域的范围大小受飞行高度、巡航马赫数、大气风剖面等因素的影响。除了初级影响域,声爆还会在机体上方传播,或者初级声爆在地面反射传播,这些声爆受大气的影响仍然会再次到达地面,这种形成的影响区域称为次级影响域。一般情况下,次级声爆频率较低,人耳感觉不到,但次级声爆可以与动物器官或建筑物发生共振,严重情况下有可能会对生命和建筑物造成损害。
除了初级声爆影响域和次级声爆影响域外,飞机在超声速状态下进行加减速、俯冲或转弯等机动飞行时,也可能会出现声爆波的聚焦,而在地面某些观测点会听到“超声爆”现象,其波形类似字母“U”形,被称为U形波。U形波一般比N波强度大,超压值是N形波的2~5倍。
研究历史
1945年,前苏联著名物理学家列夫·达维多维奇·朗道通过理论分析得出了声源在超声速流动中传播时,由于非线性陡峭效应可能渐近形成声爆的结论。这是世界上最早的对声爆现象的理论预测。在列夫·朗道给出理论预示两年之后,美国飞行员查克·叶格驾驶 X-1 超声速飞行技术验证机在美国西部莫哈维沙漠上空12800米的高空飞出了 1.07马赫的速度,从而迈出了载人超声速飞行的第一步。这次飞行标志着人类进入了超音速时代,地面测试团队也监测到了声爆的信号,这也标志着声爆问题正式走进研究者的视野。
自20世纪50年代起,世界各航空大国开展了大量的声爆飞行试验研究。依据试验时间和试验目标的不同,大体可分为:声爆飞行试验技术探索与数据积累阶段(20世纪50年代到70年代)、声爆飞行试验技术完善与低声爆技术探索阶段(20世纪80年代到21世纪初期)和低声爆设计技术验证与适航取证飞行试验阶段(21世纪初之后)。
20世纪50年代到70年代
这一时期不但大量军用超声速飞机出现,而且超声速运民用飞机协和号和图-144也投入运营。美国波音公司和 NASA也推出民用超声速飞机研制计划。但同时军用和民用航空器超声速飞行的造成的声爆现象却引发一系列社会问题,声爆问题开始受到关注,掀起了声爆飞行试验研究第一波热潮 。欧美以及苏联等航空强国对 XB-70、B-58、F-100、F-104战斗机F-106战斗机SR-71侦察机、协和号、图-144 和“幻影”III/IV等超音速航空器进行了从近场至远场地面的声爆测量,促进了声爆理论与计算工具的发展,在声爆对人类 生产生活、动植物、建筑物和海洋等的影响研究方面取得了重要进展,并促进了声爆飞行试验技术的快速发展。其中最具代表性的是美国NASA与空军爱德华兹空军基地联合开展的试验项目,通过军用飞机长时间有计划地在基地附近居民区产生不同强度和持续时间的声爆,通过社会调查考察居民对声爆的反应探索主观评价方法。这 一阶段,通过飞行试验积累大量声爆数据,验证和发展了声爆理论和计算工具,为超声速航空器的声爆预测与声爆优化设计等技术研究奠定了基础,对后续的声爆问 题研究具有深远影响。
20世纪80年代到21世纪初期
20 世纪80年代—21 世纪初期,尽管协和号和图-144退出了商业运营,超音速客机发展进入低谷,但美国、欧洲、日本仍然提出了新一代民用超声速航空器方案,实施大量低声爆设计技术试验验证项目,包括美国空军的NSBIT项目、美国航空航天局SR-71侦察机SBPE项目以及日本JAXA 的 D-SEND项目等。这一阶段声爆飞行试验技术体系逐步完善,全传播路径声爆测量技术取得突破性进展,研制了专用地面和空中声爆测量系统,实现了声爆、飞行状态、飞行航迹和大气条件等参数的空地一体化测量。飞行测量平台携带的声爆探针和前支杆传声器装置的发展使得空中声爆测量技术日臻成熟。此外飞艇平台也成为空中声爆测量系统 组成部分。 通过大量测飞行试验和空中测量,初步阐明了气动外形、 飞行状态、飞行航迹和大气条件等对声爆的作用机制。通过飞行试验也证实了几何修形和改变气动布局能够显著降低声爆强度。国际民航组织和美国联邦航空局等适航管理机构也开展新一代 民用超声速航空器的声爆评价方法和适航标准的研究。这一阶段积累了大量的声爆实测数据,验证了低声爆技术以及声爆预测和优化设计工具,为研制低声爆超声速航空器奠定了基础。
21世纪初之后
从21世纪初开始,在“绿色、经济、 环保”航空发展主题下,世界各国又开始期待超声速民用航空器回归商用领域。而2020-2035年被认为是超声速民用航空器再次实现商用的阶段。美国、欧洲、俄罗斯日本和中国等国家和地区围绕民用航空器新一代低声爆技术启动或规划了大批声爆飞行试验研究项目,包括 JAXA 的 D-SEND#2、 欧盟/俄罗斯的RUMBLE、NASA的 LBFD等。中国飞行试验研究院中国航空研究院中国航空工业集团有限公司空气动力学研究院等也开展了歼 击机和亚轨道轰炸机的地面声爆测量。一些新的地面和空中声爆测量技术得到了探索和验证。多个研究机构和商业公司公开了超声速民用航空器设计制造和投入商用的计划时间表。在超声速民用航空器声爆适航标准的制 定方面,美国联邦航空局发布了针对超声速航空器特许飞行和适航标准的拟议规则。国际民航组织和美国联邦航空管理局还介入美国航空航天局的 LBFD 项目,开展声爆适航标准制定 研究,推进超声速民用航空器技术发展和投入商业运营。从当前的研究趋势看,声爆问题将纳入新一代民用超声速航空器适航审定范畴。这一阶段的声爆飞行试验项目主要围绕低声爆航空器设计技术的验证开展,未来用于型号设计定型或适航审定的声爆试验将大规模开展,声爆飞行试验将助推新一代民用超声速航空器研制和重返商用。
特征
近场强可压缩流动
超声速飞行时,飞机附近存在强可压缩流动现象。激波强度大,波系结构复杂,是产生声爆的源头。从机体附近的波系来看,由前到后的整个机身上,实际有多道激波从机体以及机翼边条、前缘部分发出。从波形传播的角度来看,由于激波膨胀波强度不同, 波系的运动速度不同,在逐渐远离机体的过程中弱波系被强波系吞并,随着距离飞机越来越远,波系逐渐向机体前后两端聚集,中间的激波膨胀波复杂度逐步减弱。
远场声学传播
由于声爆的传播一般是从上万米高空到达地面,因此在传播过程中受大气各种效应的影响很大,特别是非线性效应的存在,会导致声爆波系逐渐向前后合并。而大气的热粘性、分子弛豫等特点,会导致声爆在传播过程消耗能量,大气湍流效应会使声爆波形发生严重扭曲和震荡,失去经典的N波形状。
人的感受
尽管声爆在大气中长距离传播虽然会有能量的耗散,但与一般亚音速航空噪声相比,其扰动压强依然强烈,且压强变化剧烈,会在地面产生类似爆炸的高分贝噪声。强烈的声爆会使人感到惊吓、恐慌,严重时可能会造成听觉器官的永久性损坏。较强的声爆是人体不能忍受的。常规飞机噪音是逐渐升高的,大脑有机会适应不断变化的声音水平。而声爆是突然发生的,让大脑感到意外,通常引起强烈的惊恐。而且声爆的范围大,一次短暂的超音速飞机,会导致数百平方公里地面的人都会受到声爆的影响,进而造成社会恐慌。2010年西雅图出现的一次声爆,直接导致911紧急呼叫系统的瘫痪。一些民众误以为遭到核打击。如果超音速飞机经过城市带上空,会影响地面上大量人口。但是在超音速飞机上的人,并不能听到声爆的任何声音,因为飞机速度已经超过1马赫,音爆永远无法追上飞机。
效应
大气宏观效应
研究表明,在较大的温度梯度条件下,声爆的强度会随着马赫数的增加而减小。而地面声爆覆盖范围会随着温度梯度的增加而减小。此外较大的温度梯度不仅直接影响声爆信号,还会诱导产生大气风,进而会使声爆信号发生扭曲。大气风效应是影响声爆信号传播的另一个主要因素。随着飞行高度的降低,逆风飞行会降低地面声爆覆盖范围以及声爆强度。而顺风飞行会扩大声爆范围和增加声爆强度,如果有侧向大气风会进一步增加声爆覆盖范围。大气温度梯度和大气风对声爆信号的影响是折射效应的体现。
大气微观效应
大气经典吸收与分子弛豫等微观效应会对声爆信号传播产生显著影响。其中,大气经典吸收是声爆信号能量转化成气体内能的过程,包括黏性吸收、热传导吸收、扩散吸收和辐射吸收四部分。但是相比于大气经典吸收效应,分子弛豫效应对声爆波形的影响才是占主导地位。分子弛豫是指能量从小扰动引起的非平衡状态向平衡状态的转换过程。研究发现在相对湿度较小时,氧气分子弛豫效应占主导因素,并能够大幅降低声爆强度。此外厚云层能够进一步降低地面声爆信号超压值,增加波形上升时间,进而降低地面声爆强度。
大气介观效应
除大气宏观和微观效应外,还有以随机性和多尺度特性的大气湍流效应为代表的大气介观效应。该效应对声爆波形的影响更加复杂。大气湍流效会改变声爆信号前后激波的形态,使传统地面N型波变为P型波 (Peaked Waveform)或R型波(Rounded Wave form)。目前通过散射机理和折射一聚焦一衍射机理,都能够解释湍流效应对地面声爆波形的影响,一定程度上给出对声爆强度的预测结果,但预测结果的可信度不高。目前科学界对含有湍流等复杂天气及机动飞行条件下的声爆传播机理尚不完全清晰。
测量技术
开展声爆飞行试验,并对声爆进行全传播路径测量,对研制新一代低声爆超声速航空器具有重要意义。声爆测量飞行试验技术方案组成主要包括通用试验资源建设、飞行方法设计、声爆参数测量方法等。
通用试验资源建设
通用试验资源由试验对象、通用保障资源和试验场地等组成。试验对象分为3 类:一类是选用成熟的超声速军用或民用飞机平台,例如超音速战斗机或者协和号超音速客机;二类是选用成熟飞行平台进行大幅度改装设计作为试验机,例如美国曾经改造F-5战斗机和 F-15B飞机用于声爆机理和低声爆技术探索研究;三类是设计制造全新试验机(模型)或研制新型号作为试验对象,直接用于低 爆技术探索和新型号适航取证试验,成本相对较高。声爆测量飞行试验对试验场地有特殊要求。试验场地应具有适宜飞行试验环境,即具备大范围的超声速飞行空域和平坦地形,最好附近有小范围居住区供开展主观调查。通用保障资源方面主要是可供试验对象 和测量平台起降的机场以及飞行保障设施。
飞行方法设计
飞行方法设计是指借助现有的声爆理论分析、预测手段,通过预先设计飞行器的飞行状态、飞行航迹和构型要求,来产生不同种类和特征的声爆。如何确定目标声爆对应的构型 和飞行状态存在一定技术难度,既需要借助历史 经验数据,也需要声爆理论和计算工具支撑。例如美国美国航空航天局使用的事基于飞行状态数据的声爆预测技术指导飞行试验点的设计和执行,用声爆预测软件进行试验点设计,飞行员和工程师可实时监控不同飞行状态下在飞行航迹下方的声爆空间分布。
声爆参数测量方法
声爆测量是声爆飞行试验技术方案的核心。一般根据试验目的选择性进行近场、中场和远场/地面等不同阶段的声爆测量。测量近场至中场声爆,常采用具有与被试对象飞行性能相当的飞行平台携带声爆探针和流场成像等测量设备在中高空进行测量。对中场至远场声爆,由于不需要近距离跟随被试对象,可选用飞行性能和成本更具优势的亚音速低空平台或浮空平台。对于地面声爆测量,常采用大尺度的传感器阵列进行分布测试。在考察声爆对人类影响的飞行试验中,一般对地面人员进行主观感受调查。从当前的声爆测量技术研究进展看,对声爆进行近场、中场和远场/地面的全传播路径声爆测量,需要开发各种高低空搭配的飞行测量平台和专用测量设施,需要消耗大量的空地试验资源,是一项复杂的系统工程。
除了全传播路径声爆测量之外,风洞试验也是开展声爆研究必不可少的技术手段。与飞行试验相比,风洞试验具有成本低、周期短、易重复验证等优势。声爆风洞试验技术涉及试验模型的精确模拟、风洞流场的精确控制、近场压力信号的 精确测量及试验数据的干扰修正等多个方面,其中关 键在于空间压力信号的精确测量与辨识。目前风洞试验已经有了测压板、静压探针、测压轨等声爆近场压力试验测量装置。美国航空航天局 于近年来提出了无反射测压轨测量技术和空间平均技术,大幅提高了声爆近场压力风洞试验测量的精准度和测量数据的可靠性。
低声爆航空器设计
总体设计
从目前开展的研究工作来看,在众多的声爆抑制技术研究中,气动外形优化是超声速民用飞机声爆抑制最有效的手段。在飞行高度、飞行速度、重量这三类重要影响因素确定的前提下,气动外形综合设计则成为超声速飞行器减阻/低声爆抑制的核心工作。但是现阶段对低声爆/低阻新布局形式的认识不够清晰,缺乏有利于低声爆/低阻特性的布局外形设计原理和策略。超声速民机机体细长,具有大量的低厚度结构,且面临长期气动热载荷,因此结构设计中面临突出的气动弹性变形问题、气动-结构-动力-声爆多学科耦合问题。
气动布局形式
细长机头布局
早期协和号飞机的细长机头主要针对降低波阻,但无法产生低声爆特性要求的柔和、均匀的激波系。进一步加长机头是削弱声爆头激波强度的最有效措施。目前几乎所有新设计的超声速民机布局都具备显著的细长机头特征。这种外形使得头激波超压值由陡峭上升变为了缓慢倾斜上升,增加了头激波上升时间,降低了声爆的感觉噪声级。但机头不可毫无限制的加长,过长的机头会导致黏性阻力、操稳特性、气动弹性等方面的问题。
鸭翼布局
研究发现,若在飞机前体仅产生一道激波,要降低声爆强度极为艰难,需要采取措施产生多道激波。而鸭翼可将前体的波形分散为多道激波,能够显著的降低头激波强度,成为一种可行的低声爆设计策略。
箭形翼与上反布局
机翼平面形状是影响全机沿轴向升力分布的最主要因素,而轴向升力分布又是全机等效截面积能否满足低声爆面积律的关键。研究发现要获得更佳的声爆 性能,轴向升力分布最大值的位置要求尽量靠近尾部,且升力分布应尽可能平缓,其轴向长度尽可能大。箭形翼非常符合上述低声爆设计要求, 还具有良好的气动性能。具有良 好低声爆特性的箭形翼通常具备以下特征:较大的根弦长度、极大的后掠角、多段后掠或连续变后掠的前缘、机翼位置靠后等。
机翼上反主要影响声爆强度及声爆覆盖范围。 研究发现,上反角由-5°变为15°,声爆超压值可降低约50Pa。此外上反角能有效减小声爆前激波强度。洛·马公司研究证明,通过对机翼外段的上反设计,能大幅降低飞机下方正负49°周向角内的声爆强度。要使整个声爆覆盖范围内的声爆强度最小,精细设计机翼上反角是重要途径之一。
T尾/V尾布局
T尾和V 尾布局能够合理调控后体区域的激波系分布,且能良好兼顾低速性能和操稳特性要 求,成为最新的超音速客机布局最典型的技术特征之一。T尾或V尾能分摊一部分升力,使升力等效截面积分布在全机尾部达到最大值,并使后体等效截面积分布更光滑,降低后体的激波强度。从流场机理的角度看,T尾/V 尾产生的激波能与后体的膨胀区发生干涉、抵消,从而削弱后体激波强度。T 尾布局的后激波强度比无 T 尾构型大幅减小,感觉噪声级也显著降低。
气动-结构-声爆耦合分析
过去对超声速民机声爆问题的研究大多基于飞机为刚体这一假设。然而真实情况下超声速民机在爬升、巡航和下降阶段的气动弹性会发生变化,抵抗湍流时飞机会发生控制舵面偏转以及结构变形,机动飞行时飞机的控制舵面偏转以及结构变形。这类气动弹性变形会改变声爆信号,给声爆强度响应引入不确定性。研究结果表明,考虑气动弹性变形与刚体假设下的声爆信号存在显著的差异,在 引入材料特性的不确定性后,气动弹性变形导致了声爆信号呈现出波动,最终给远场声爆的强度带来显著影响。气动弹性变形对声爆的影响是一项不容忽视的重要因素。
声爆相关标准和限制
尽管声爆是超音速飞机的特有声学现象,但是目前没有任何确定的超音速商业飞机的声爆等级的标准。1978 年,美国美国联邦航空局 颁布了第一条针对民用超音速飞机噪声的规则,在14 CFR 第 36 部分中制定了专门针对协和式客机的起飞和着陆噪声标准。其中规定,4发动机、最大起飞重量为185吨的协和式超音速飞机,在起降时的最大的噪音,不应该超过106EPNdB(有效感受噪音分贝)。但是超音速飞机在起降阶段,速度没有达到超音速,不可能产生声爆。因此当时没有针对协和式飞机声爆的噪音标准。在国际民航组织 (ICAO)发布的附件16卷《I 航空器噪声》中,规定可以参考亚声速喷气式飞机的噪声合格审定作为指导原则,同样没有确定公众能接受的声爆等级,且不能认为与亚声速噪声标准相符就可以进行超声速飞行。
国际民航组织称,正在努力制定未来超音速飞机的标准,继续讨论声爆测量方案和程序,目标就是制订超音速飞机在航线上产生声爆的相关噪声认证的技术飞行测试程序,以补充现有仅对着陆和起飞噪音条件的认证。预计超音速飞机的认证可能会在 2020 年至 2025 年期间进行。
社会影响
典型的声爆事件和事故
俄克拉荷马城声爆测试
1964年,美国联邦航空局美国空军合作,在俄克拉何马州俄克拉何马城进行了一次大规模的声爆测试行动。从2月3日开始的测试中,美国军队在6个月的时间内使用F-104战斗机F-106战斗机、B-58等超音速战机在50万人口规模的城市产生了1,253 次音爆,旨在量化研制超音速运输机 (SST) 声爆对城市的影响。在当时美国民众对声爆的态度处于模棱两可之间,而政府甚至宣称“声爆”是美国能赢得美苏冷战的“自由之音”。而俄克拉荷马城的居民对这样的实验更加宽容,因为它在经济上依赖附近的迈克·蒙罗尼航空中心和空军的廷克空军基地。而且在试验前,美国官方也进行了大量的宣传和引导工作。但实际情况是试验仅仅开始一周后就开始有大量民众进行投诉,统计数量超过1.5万人。而实际反对的人更多,因为有大量的人不知道向何处投诉或者认为投诉也没有用处。一些愤怒的民众甚至威胁要开枪杀死研究人员。这次试验实际上导致美国民众普遍反对超音速客机的研发,结果就是波音2707超音速客机下马,美国停止研发超音速运输机。
车里雅宾斯克流星事件
2013年2月15日,一颗直径约18米、重 9100 吨的近地小行星以 18.3 ± 0.4 度的浅角进入地球大气层,相对地球的速度为 19.16 ± 0.15公里每秒,速度是音速的60倍以上。车里雅宾斯克居民称:“我们看到一道巨大的光芒,就走到外面看看那是什么,然后我们听到了非常响亮的雷鸣声。当时一片恐慌。人们不知道发生了什么。每个人都回到家中检查家人是否还好。”
成都多地听到不明巨响
2015年11月26日下午1点多,成都市温江区成都双流国际机场西南交通大学犀浦校区大邑县等地区民众听到巨响。当地公安机关称未接到发生爆炸案(事)件的报警及人员伤亡的报告。国家地震台网官方微博发文称:经核实,地震台站无相关记录。此外航空工业成飞安全保卫部等部门多名工作人员否认是超音速战斗机产生的声爆,均称也听到爆炸声,但对具体原因尚不知晓。
华盛顿声爆事件
2023年6月4日,一架塞斯纳飞机进入华盛顿特区上空的禁飞空域。地面试图通过无线电通知机组人员,告诉他们离开禁飞区域。但是飞行员在飞行几分钟后并没有对交通指令做出反应。为此美国军队从三个空军基地派出六架战斗机拦截这架飞机。而结果就是华盛顿地区听见了巨大的声爆。响亮的爆炸声导致民众上网查明到底发生了什么。《华盛顿邮报》的天气推特账户甚至指出,其团队听到了声音,而这不是一般的打雷声。最后美国国家安全委员会发言人约翰·柯比在新闻发布会上表示,F-16飞机必须“加快速度”才能追上塞斯纳飞机,因此超音速飞行引发了声爆。
川陕巨响
2023年9月27日,绵阳市和陕西西安市咸阳市汉中市等多地网友称听到巨响,当日晚间,西安、汉中等应急局表示未收到相关情况报告,绵阳应急局工作人员则表示,在当地听到了巨响,怀疑是音爆。
绍兴巨响
2024年3月29日,绍兴发生一声巨响,不少绍兴网友表示有被吓到,且巨响的传播范围颇广,越城城东、城南、城西均有网友听到。有网友还看到了超音速飞机,还晒出天空景象照片。“巨响”在绍兴已不是第一次出现,很多网友认为最大可能是“音爆”,“从天空的景象来看,应该就是音爆了。”
参考资料
sonic boom.大英百科全书网站.2023-06-22
..2023-06-22
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Supersonic Aircraft Noise Standards Development.国际民航组织网站.2023-06-25
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How to create a sonic boom at home.gizmodo.com.2023-06-25
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声音在空气中以波的形式传播.www.hear-it.org.2023-06-24
How the Astounding Sonic Boom Phenomenon Actually Works.interestingengineering.com.2023-06-24
Concorde: You asked a pilot.news.bbc.co.uk.2023-06-25
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The Federal Register.www.federalregister.gov.2023-06-25
eCFR::AppendixBtoPart36,Title14.www.ecfr.gov.2023-06-25
川陕多地突发巨响,应急局:怀疑是音爆.极目新闻-今日头条.2023-09-28
目录
概述
现象描述
原理解释
声音和声速
多普勒现象
声爆的产生
研究历史
20世纪50年代到70年代
20世纪80年代到21世纪初期
21世纪初之后
特征
近场强可压缩流动
远场声学传播
人的感受
效应
大气宏观效应
大气微观效应
大气介观效应
测量技术
通用试验资源建设
飞行方法设计
声爆参数测量方法
低声爆航空器设计
总体设计
气动布局形式
细长机头布局
鸭翼布局
箭形翼与上反布局
T尾/V尾布局
气动-结构-声爆耦合分析
声爆相关标准和限制
社会影响
典型的声爆事件和事故
俄克拉荷马城声爆测试
车里雅宾斯克流星事件
成都多地听到不明巨响
华盛顿声爆事件
川陕巨响
绍兴巨响
参考资料