文章目录

• 什么是音障？
• 空空气阻力方程
• 声速与音爆的关系
• 声波是振动，不是阻力。
• 总结:

当我们在行进的过程中遇到障碍时，我们通常会认为是物理的东西阻碍了我们。

比如我们发动汽车后，感觉前进很困难。当我们下车时，我们会发现车轮前的碎砖没有被踢开。是砖块阻止了车轮滚动。倒车时不小心上了路，也会感觉到明显的障碍。

轮子遇到了障碍物。

什么是音障？

有了生活的感受，当你遇到类似的问题时，你自然会想，音障会不会是声波的某种障碍？

其实这是不对的。声波没有障碍。

是声波在空气体中传播时引起的空气体的振动现象。

空气体是由许多气体分子组成的弹性物质，声音是一种振动能量。当一个物体振动，或压缩周围空气体时，会引起与其相邻的一部分空气体分子被压缩，这种压缩会通过纵波的形成传递到周围，所以空气体分子也会振动。下面的平面波动画可以很好地说明声音是如何在空气体中传播的。

水平压缩波的传输

既然声音是空气的振动，就不会制造障碍。为什么会有音障？

其实声屏障是在第二次世界大战期间传播的，因为当时的飞机很难接近340米/秒的速度，每当胆大的飞行员试图以高速俯冲的方式挑战音速时，飞机总是会失去控制，严重时甚至可能导致空解体、飞机坠毁和死亡的悲剧。1944年，英国飞行员驾驶“喷火”战斗机后以0.92马赫成功着陆，飞机发动机损坏，这是二战期间飞机能达到的最高速度。

喷火战斗机

因为无法突破音速的门槛，所以我们都把它设定为人类飞行器的速度极限，也叫“声屏障”或“声屏障”。

当飞行员驾驶飞机时，他们发现速度越快，飞机的阻力越大。每当他们试图接近音速时，一堵看不见的墙似乎就立在飞机前面。原因是什么？

其实这个障碍不是来自声波，而是来自空空气阻力。

空空气阻力方程

空气体是一种流体，由于机翼的特殊形状，飞机在空气体中快速运动时会产生升力，符合牛顿第二定律。

同时，由于空气体的流体性质，飞机在向前运动过程中，也会因与空气体的摩擦和湍流而产生向前方向的阻力。

不同形状物体的阻力

从上面这组图我们可以看出，空气体中物体的阻力主要可以分为湍流重力的拖曳力和物体表面与空气体之间的摩擦力。这两种力在总阻力中的重要性与物体的形状及其相对于气流的状态有关。

空气体中简单物体的电阻可以简化为以下等式:

流体阻力方程流体阻力方程

其中f代表空空气阻力(阻力)；ρ 空气体密度；v代表物体的移动速度；a是物体在运动方向上的投影面积；c为阻力系数，为无量纲数，取决于形状、光滑度等。

从上面的方程可以看出，空气体中物体的阻力与很多因素有关，其中与速度的平方成正相关。它移动得越快，受到的阻力就越大。

飞行中的力

飞机依靠发动机向后推动气流，气流从推动飞机前进的方向产生向前的反作用力。同时，由于其独特的形状和角度，飞机的机翼产生向上的升力。飞机匀速飞行时，升力与重力平衡，推力等于空空气阻力。发动机不断做功，使飞机克服阻力前进。

声速与音爆的关系

很多人都知道，当飞机以超音速飞行时，会产生强大的音爆。很少有人能听到战斗机产生的音爆，因为音爆是一种冲击波，具有一定的破坏性，比如打碎窗玻璃，损害人的听力。因此，战斗机飞行员通常被严格要求不得在低空或人口密集地区跨音速飞行。

但你可能听到有人挥舞着鞭子，发出响亮的“啪嗒”声。

挥舞鞭子会产生音爆。

当挥鞭者用力摇动鞭子时，由于声速的瞬间突破，鞭子尖端会产生一个小的冲击波。请注意，声音不是由鞭子本身的碰撞引起的，而是由超音速引起的音爆。

如果你把一块小石头扔进水里，你会看到涟漪扩散开来；如果仔细观察鸭子的划水动作，还可以看到水波是从鸭子的前方产生，逐渐向它的后方扩散。

鸭子划水产生的水波

如果我们在水中移动得足够快，比如高速驾驶快艇，你就看不到快艇前方的水波，它们会瞬间被快艇抛到后面，造成巨大的波浪。

高速航行的快艇

声波也是如此。

我们在上一篇文章中说过，声波是压缩空气体产生的振动波，它的速度就是声速。当一个物体在挤压空气体并以超过音速的速度运动时，它可以将振动波抛在身后。就像你看到一艘高速航行的快艇。

超音速运动产生的冲击波

在上面这个动画中，红点代表产生声波的物体，紫色圆圈代表不断传播的声波。如果红点移动得足够快，它可以在背后发出自己的声音。这些不断产生的声波的边缘会相互重叠，产生强烈的叠加冲击波，空气体会被严重压缩后释放，这就是所谓的音爆。

因为音爆发生在超音速飞机后面，飞行员听不到音爆。你只能听到音爆锥扫过飞机侧后方时的大吼。

音爆的发生与地面观测者的关系

至此，你应该能明白:声音是飞机挤压空空气产生的压缩波；如果飞机没有超过音速，它的声音总是在飞机前面；当飞机以跨音速飞行时，声波可能作用于飞机本身，使其产生某种振动甚至共振。当飞行速度大于音速时，声波被抛在后面。

声波是振动，不是阻力。

早期飞机无法超越音速的原因是飞机发动机的推力不够大；飞机的气动外形不足以降低空空气阻力；并且机体结构的强度不足以应对跨音速飞行引起的强烈振动。所谓“声屏障”，从科学角度来看，并不是一个正确的提法。

随着技术的发展，飞机，尤其是战斗机，正在向超音速发展。今天，你很难找到任何不能以超音速飞行的飞机。

歼 -20

突破音障不是现代战斗机面临的问题。

早在歼6时代，战斗机就能跨音速自由飞行。这个跨音速通常在高空进行，这里空空气稀薄，阻力小，声速也较低。歼8战斗机能以两倍音速飞行，歼20能以2.5马赫超音速巡航。当然，由于发动机和燃油经济性的问题，能够长时间以超音速巡航的飞机(包括F22)并不多。传闻歼20超音速巡航时间为35分钟，F22可持续17分钟。没有看到官方信息，需要确认。

F22

总结:

“声屏障”在20世纪40年代只是航空空行业的一个障碍，并不是飞机在飞行中遇到的物理障碍。

飞机的空气阻力与其速度的平方成正比。飞机速度越快，遇到的空空气阻力就会急剧增加。为了克服空气动阻力，飞机不仅需要更强大的发动机，还需要改变气动外形，加强机体结构。

那些说歼20很难突破音障的人，他们的理由是从来没有见过歼20发出的音爆冲击波，也没有见过歼20展示“音爆云”的照片。

事实上，包括歼-20、F-22战机在内的最新一代战斗机，面临的不再是如何跨越“声屏障”的问题，而是如何在最省油的情况下保持更长时间的超音速飞行，从而在未来的对抗中占据主动。