聲學/音爆

音爆是空氣中衝擊波的可聽部分。這個詞通常用來指軍用飛機或協和式飛機（2.2 馬赫，不再飛行）和太空梭（27 馬赫）等超音速客機產生的空氣衝擊。音爆產生巨大的聲能，聽起來很像爆炸；通常衝擊波前沿可以達到每平方米 100 兆瓦，可能超過 200 分貝。

音爆的原因

當物體穿過空氣時，它會在其前後產生一系列壓力波，類似於船隻產生的船首波和船尾波。這些波以聲速傳播，隨著飛機速度的增加，波會被迫靠攏或“壓縮”，因為它們無法“避開”彼此，最終在聲速時合併成一個衝擊波。這個臨界速度被稱為 1 馬赫，在海平面為 1,225 公里/小時（761 英里/小時）。

在平穩飛行中，衝擊波從飛機的機頭開始，到機尾結束。機頭處壓力突然增加，然後穩步下降到機尾處的負壓力，然後突然恢復到正常。這種“超壓曲線”由於其形狀而被稱為 N 波。當壓力突然增加時，我們會體驗到“轟鳴聲”，因此 N 波會產生兩次轟鳴聲，一次是機頭產生的初始壓力上升時，另一次是機尾經過時壓力突然恢復正常時。這導致超音速飛機產生獨特的“雙重轟鳴聲”。在機動過程中，壓力分佈會發生變化，呈現出不同的形式，具有特徵性的 U 波形狀。由於只要飛機處於超音速狀態，轟鳴聲就會不斷產生，因此它會在地面上沿著飛機的飛行路徑追蹤，被稱為轟鳴聲地毯。

為了產生升力，超音速飛機必須產生至少兩個衝擊波：一個向下的超壓波和一個向上的負壓波。惠特科姆面積法則指出，我們可以重複使用空氣位移而不會產生額外的衝擊波。在這種情況下，機身重複使用了一些機翼的位移。

音爆或“隧道轟鳴聲”也可能由高速列車在隧道中引起（例如日本新幹線）。為了減少音爆效應，需要對列車車廂進行特殊形狀設計，並擴大隧道入口的開口。當高速列車進入隧道時，音爆效應會在隧道出口處發生。與飛機的（超）音爆不同，這種“隧道轟鳴聲”是由亞音速流的快速變化（由於周圍空間的突然變窄）引起的，而不是由衝擊波引起的。在靠近隧道出口的地方，這種現象會導致居民受到干擾。

特徵

衝擊波的能量或音量取決於被加速的空氣量，因此取決於飛機的大小和重量。隨著飛機速度的增加，衝擊波會圍繞飛機變得“更緊密”，不會變得“更響亮”。在非常高的速度和高度，錐形不會與地面相交，因此不會聽到轟鳴聲。從前到後的轟鳴聲“長度”取決於飛機的長度，儘管是 3:2 的比例，而不是 1:1。因此，較長的飛機比較小的飛機“分散”它們的轟鳴聲，從而導致轟鳴聲的能量更小。

機頭衝擊波壓縮並拉動飛機周圍的空氣，以便飛機在其衝擊波後面看到亞音速氣流。

然而，這意味著幾個較小的衝擊波可以，而且通常確實會在飛機上的其他點形成，主要是任何凸起或曲線，機翼前緣，尤其是發動機進氣口。這些次級衝擊波是由主衝擊波後面的亞音速空氣被迫被飛機形狀再次變為超音速而引起的（例如，由於空氣在彎曲機翼頂部的加速）。

後面的衝擊波比第一個衝擊波快一些，傳播速度更快，並在距離飛機一定距離後與主衝擊波相加，形成更清晰的 N 波形狀。這最大限度地提高了衝擊波的幅度和“上升時間”，使其聽起來更響亮。在大多數設計中，特徵距離約為 40,000 英尺，這意味著低於這個高度，音爆會“更柔和”。然而，在該高度或以下的阻力使得超音速飛行效率特別低，這提出了一個嚴重的問題。

減緩

在 20 世紀 50 年代後期，當 SST 設計正在積極進行時，人們認為，儘管轟鳴聲會非常大，但他們可以透過飛得更高來避免問題。當北美 B-70 Valkyrie 開始飛行時，這種假設被證明是錯誤的，人們發現即使在 70,000 英尺（21,000 米）的高度，轟鳴聲仍然是一個非常現實的問題。正是在這些測試中，N 波第一次被描述出來。

康奈爾大學的理查德·西巴斯和他的同事阿爾伯特·喬治對這個問題進行了廣泛的研究，最終定義了一個“品質因數”FM，用來描述不同飛機的音爆水平。FM 與飛機重量除以飛機長度的 3/2 次方成正比，FM = W/(3/2·L) = 2W/3L。這個值越低，飛機產生的轟鳴聲越小，大約 1 或更低的值被認為是可以接受的。使用這種計算，他們發現協和式飛機的 FM 約為 1.4，波音 2707 的 FM 約為 1.9。這最終導致大多數 SST 專案的失敗，因為公眾的怨恨，有些被誇大了，加上政治因素，最終導致法律的出臺，使得任何此類飛機都不切實際（例如，只能在水上飛行）。

西巴斯-喬治還從另一個角度研究了這個問題，研究了減少 N 波“峰值”的方法，從而使衝擊波變得更平滑，不那麼令人討厭。他們的理論表明，機身造型可能能夠利用次級衝擊波來“分散”N 波，或相互干擾以達到相同的效果。理想情況下，這將使特徵高度從 40,000 英尺提高到 60,000 英尺，這是大多數 SST 設計的飛行高度。這種設計需要相當複雜的造型才能滿足減小衝擊波和保持氣動效率的雙重需求，因此必須等到計算機輔助設計的出現才能建造。

這在幾十年裡都沒有得到驗證，直到 DARPA 啟動了靜音超音速平臺專案，並資助了成型音爆演示飛機來測試它。SSBD 使用了一架 F-5 自由戰士戰鬥機，它經過改裝，具有新的機身形狀，並在為期兩年的時間裡進行了測試，這已經成為迄今為止對音爆的最廣泛的研究。在對 1,300 條錄音（其中一些由追逐飛機在衝擊波內採集）進行測量後，SSBD 表明轟鳴聲減少了大約三分之一。雖然三分之一的減少不是很大，但它可以使協和式飛機的 FM 降至 1 的限制以下。

有一些理論設計似乎根本不會產生音爆，例如布塞曼雙翼機。到目前為止，還沒有人能夠提出這個概念的實際應用方案。