声学/音爆

音爆是空气中冲击波的可听部分。这个词通常用来指军用飞机或协和式飞机（2.2 马赫，不再飞行）和航天飞机（27 马赫）等超音速客机产生的空气冲击。音爆产生巨大的声能，听起来很像爆炸；通常冲击波前沿可以达到每平方米 100 兆瓦，可能超过 200 分贝。

音爆的原因

当物体穿过空气时，它会在其前后产生一系列压力波，类似于船只产生的船首波和船尾波。这些波以声速传播，随着飞机速度的增加，波会被迫靠拢或“压缩”，因为它们无法“避开”彼此，最终在声速时合并成一个冲击波。这个临界速度被称为 1 马赫，在海平面为 1,225 公里/小时（761 英里/小时）。

在平稳飞行中，冲击波从飞机的机头开始，到机尾结束。机头处压力突然增加，然后稳步下降到机尾处的负压力，然后突然恢复到正常。这种“超压曲线”由于其形状而被称为 N 波。当压力突然增加时，我们会体验到“轰鸣声”，因此 N 波会产生两次轰鸣声，一次是机头产生的初始压力上升时，另一次是机尾经过时压力突然恢复正常时。这导致超音速飞机产生独特的“双重轰鸣声”。在机动过程中，压力分布会发生变化，呈现出不同的形式，具有特征性的 U 波形状。由于只要飞机处于超音速状态，轰鸣声就会不断产生，因此它会在地面上沿着飞机的飞行路径追踪，被称为轰鸣声地毯。

为了产生升力，超音速飞机必须产生至少两个冲击波：一个向下的超压波和一个向上的负压波。惠特科姆面积法则指出，我们可以重复使用空气位移而不会产生额外的冲击波。在这种情况下，机身重复使用了一些机翼的位移。

音爆或“隧道轰鸣声”也可能由高速列车在隧道中引起（例如日本新干线）。为了减少音爆效应，需要对列车车厢进行特殊形状设计，并扩大隧道入口的开口。当高速列车进入隧道时，音爆效应会在隧道出口处发生。与飞机的（超）音爆不同，这种“隧道轰鸣声”是由亚音速流的快速变化（由于周围空间的突然变窄）引起的，而不是由冲击波引起的。在靠近隧道出口的地方，这种现象会导致居民受到干扰。

特征

冲击波的能量或音量取决于被加速的空气量，因此取决于飞机的大小和重量。随着飞机速度的增加，冲击波会围绕飞机变得“更紧密”，不会变得“更响亮”。在非常高的速度和高度，锥形不会与地面相交，因此不会听到轰鸣声。从前到后的轰鸣声“长度”取决于飞机的长度，尽管是 3:2 的比例，而不是 1:1。因此，较长的飞机比较小的飞机“分散”它们的轰鸣声，从而导致轰鸣声的能量更小。

机头冲击波压缩并拉动飞机周围的空气，以便飞机在其冲击波后面看到亚音速气流。

然而，这意味着几个较小的冲击波可以，而且通常确实会在飞机上的其他点形成，主要是任何凸起或曲线，机翼前缘，尤其是发动机进气口。这些次级冲击波是由主冲击波后面的亚音速空气被迫被飞机形状再次变为超音速而引起的（例如，由于空气在弯曲机翼顶部的加速）。

后面的冲击波比第一个冲击波快一些，传播速度更快，并在距离飞机一定距离后与主冲击波相加，形成更清晰的 N 波形状。这最大限度地提高了冲击波的幅度和“上升时间”，使其听起来更响亮。在大多数设计中，特征距离约为 40,000 英尺，这意味着低于这个高度，音爆会“更柔和”。然而，在该高度或以下的阻力使得超音速飞行效率特别低，这提出了一个严重的问题。

减缓

在 20 世纪 50 年代后期，当 SST 设计正在积极进行时，人们认为，尽管轰鸣声会非常大，但他们可以通过飞得更高来避免问题。当北美 B-70 Valkyrie 开始飞行时，这种假设被证明是错误的，人们发现即使在 70,000 英尺（21,000 米）的高度，轰鸣声仍然是一个非常现实的问题。正是在这些测试中，N 波第一次被描述出来。

康奈尔大学的理查德·西巴斯和他的同事阿尔伯特·乔治对这个问题进行了广泛的研究，最终定义了一个“品质因数”FM，用来描述不同飞机的音爆水平。FM 与飞机重量除以飞机长度的 3/2 次方成正比，FM = W/(3/2·L) = 2W/3L。这个值越低，飞机产生的轰鸣声越小，大约 1 或更低的值被认为是可以接受的。使用这种计算，他们发现协和式飞机的 FM 约为 1.4，波音 2707 的 FM 约为 1.9。这最终导致大多数 SST 项目的失败，因为公众的怨恨，有些被夸大了，加上政治因素，最终导致法律的出台，使得任何此类飞机都不切实际（例如，只能在水上飞行）。

西巴斯-乔治还从另一个角度研究了这个问题，研究了减少 N 波“峰值”的方法，从而使冲击波变得更平滑，不那么令人讨厌。他们的理论表明，机身造型可能能够利用次级冲击波来“分散”N 波，或相互干扰以达到相同的效果。理想情况下，这将使特征高度从 40,000 英尺提高到 60,000 英尺，这是大多数 SST 设计的飞行高度。这种设计需要相当复杂的造型才能满足减小冲击波和保持气动效率的双重需求，因此必须等到计算机辅助设计的出现才能建造。

这在几十年里都没有得到验证，直到 DARPA 启动了静音超音速平台项目，并资助了成型音爆演示飞机来测试它。SSBD 使用了一架 F-5 自由战士战斗机，它经过改装，具有新的机身形状，并在为期两年的时间里进行了测试，这已经成为迄今为止对音爆的最广泛的研究。在对 1,300 条录音（其中一些由追逐飞机在冲击波内采集）进行测量后，SSBD 表明轰鸣声减少了大约三分之一。虽然三分之一的减少不是很大，但它可以使协和式飞机的 FM 降至 1 的限制以下。

有一些理论设计似乎根本不会产生音爆，例如布塞曼双翼机。到目前为止，还没有人能够提出这个概念的实际应用方案。