声音可以在固体、气体、液体中传播,且在空气中传播速度最慢,较快的是液体,传播速度最快的是固体。本文的超音速特指声音在空气中传播的情况。
音速就是指声音的传播速度,标准速度是在15℃的海平面测试出声音在空气中传播的速度。声音在15℃的空气中的速度是340m/s,折算为1224km/h。
超音速是指速度大于340m/s,小于340m/s的速度叫亚音速,等于340m/s的速度叫穿音速。空气的温度每升高1℃,声音的速度会增加0.6m/s,声速大小还与气压有关。
音速单位也可以叫马赫,1马赫就是一倍音速, 2马赫就是2倍音速。音速超过1马赫的都叫超音速,5马赫以上的叫超高音速。
超音速主要应用于飞机和导弹。
超音速飞机是20世纪最伟大的航空发明,但在飞行时,由于音爆会可能严重的损坏飞机的机械强度。
什么是音爆?当物体运动速度接近音速时,强大的阻力使物体产生强烈的振荡,速度就会衰减,这叫音障。突破音障后,由于物体本身对空气的压缩无法迅速传播,逐渐在物体的迎风面积累而形成激波面,在激波面上声学能量高度集中。这些能量传到人们耳朵里时,会让人感受到短暂而极其强烈的爆炸声,称为音爆。
音爆原理。当飞机在空中作超音速飞行时,在机头或突出部分,就会出现楔形或锥形波,即激波。激波全部叠在机身后方,形成了圆锥形状的音锥,波后空气的压强、密度、温度都突然升高,速度迅速下降,就会感到强烈的两声雷鸣般的巨响。在突破音障时往往伴随着奇特的音爆云。这是由于激波后方由于气压降低而引起温度降低,空气中的水蒸气就会液化形成小水珠,看上去就像云雾一般。一般持续几秒钟,转瞬即逝,由于海面上空气非常湿润,更容易激起云雾。
经过近二十年的努力,目前只有英法联合研制的协和号和前苏联的图-144两种超音速客机。经过约3年的试飞,于1973年投入批量生产,估计图-144共生产了30架。2003年,所有的协和退出市场,从此,天空中再也没有超音速客机的身影。
俄国防部对外宣称,俄国名为“匕首”的导弹为高超音速导弹。目前,中美俄三国都在大力发展新型导弹技术,其中就包括高超音速导弹(发射后速度在5马赫以上)。2019年,中国公开展示东风-17导弹被认为是全球首款正式列装的高超音速导弹。
超音速产生的音爆能量巨大。一架在 16000米高以两倍音速飞行的协和客机产生的音爆对地面产生的压强高达100帕,相当于在一平米左右的玻璃窗上施加了100N的力。音爆可以使人血压升高、产生疲倦与失眠等问题,巨大的声响可使人产生晕眩。