音爆的科學：飛機突破音障時會發生什麼事？

鞭子的清脆聲響與槍聲，都可以包含微型音爆。但當一架大型飛機超過音速，同樣的物理現象便成為商業航空數十年來難以克服的挑戰。究竟什麼是音爆，又為什麼這麼難以避免？

聲音是一種波

聲音以壓力波的形式在空氣中傳播。在標準海平面、15°C 的乾燥空氣中，聲速約為 340.3 m/s（761 mph／1,225 km/h）。這個速度稱為 Mach 1，名稱來自物理學家 Ernst Mach。

飛機以次音速飛行時，產生的壓力波朝各方向傳播，包括機頭前方。這些波相當於先通知前方空氣有飛機接近，使空氣得以逐漸移開，因此流動較為平順，沒有超音速震波所形成的音爆。

突破音障

飛機接近 Mach 1 時，開始追上自己產生的壓力波。這些波在機頭前方聚集並合併成震波。所謂「音障」並不是實體牆面，而是震波使阻力與亂流大幅增加的現象。

飛機超過 Mach 1 後，飛行速度快於自身聲波，波動向後形成稱為馬赫錐的錐形區域。在均勻超音速流中的理想弱擾動條件下，其半角符合：

sin(θ) = 1 / M

其中 θ 是馬赫錐半角，M 是 馬赫數。Mach 2 的理想馬赫角為 30°，Mach 3 則約為 19.5°。具有有限強度的震波需要不同的關係式；這個簡式並不描述真實飛機上所有震波。

為什麼常聽到兩聲音爆？

飛機通常產生兩個主要壓力變化：機頭前方的壓縮，以及機尾後方回到環境壓力的變化。若把壓力隨時間的變化畫出來，會得到稱為 N 波的形狀：

1. 壓力突然上升 — 機頭震波抵達
2. 壓力逐漸下降 — 壓力通過環境壓力，降到更低
3. 壓力突然回復正常 — 機尾震波抵達

因此，音爆經常呈現「砰—轟」的雙重聲響。兩道震波的抵達時間通常只差一小段秒數，間隔與飛機大小有關。

哪些因素影響音爆強度？

• 大小與外形：大型飛機通常產生較強音爆。像 X-59 這樣的細長外形，可以把壓力變化分散，降低峰值強度。
• 高度：震波傳播距離越長，便有越多機會衰減。協和式選擇在 60,000 英尺巡航，部分原因與此有關。
• 速度：較高速度通常會產生較強震波，但兩者並非簡單線性關係。
• 大氣條件：溫度梯度、風與濕度會使聲波折射、聚焦或分散。逆溫層有時會增強地面音爆。
• 機動：轉彎與加速可能使震波集中，形成比平直穩定飛行強數倍的「超級音爆」。

協和式的音爆問題

協和式在地面產生的音爆約為 105 PLdB。PLdB 是感知聲級，不能直接與未註明量測方式的一般 dB SPL 數值比較。窗戶震動、牲畜受驚及大量民眾陳情，使音爆成為關鍵政策議題；美國於 1973 年禁止一般民用飛機在陸地上空超音速飛行。

NASA 的 Quesst 計畫希望蒐集社區反應證據，供未來法規討論使用。達成噪音設計目標，本身並不等於新的營運規則已生效。

音爆能完全消除嗎？

超音速飛機仍會產生震波；地面實際聽到的聲音取決於飛機外形、航跡與大氣條件。低音爆設計的目的，是減弱壓力變化。有時折射也會使震波無法傳至地表，但這與在預定測試條件下證實低音爆效果，是不同的事。

未來超音速旅行能否普及，可能取決於科學家能否把巨大的音爆，轉變成更安靜的低沉輕響。

X-59 的 2026 年試飛已證明什麼？

X-59 已達到 Mach 1.4。NASA 於 9 月 4 日發布的更新，將飛行性能進展與接下來的聲學測試區分說明。約 75 PLdB 的地面聲響是 設計目標，並不是完成第 25 次飛行後已公布的實測成果。

參考資料

1. Whitham, G. B.（1952）。〈超音速拋射體的流場型態〉（The Flow Pattern of a Supersonic Projectile）。Communications on Pure and Applied Mathematics，5(3)，301–348。DOI
2. Bonavolontà, G. 等（2023）。〈下一代超音速飛機的音爆預測與降低方法回顧〉（Review of Sonic Boom Prediction and Reduction Methods for Next Generation of Supersonic Aircraft）。Aerospace，10(11)，917。DOI
3. Maglieri, D. J. 等（2014）。〈音爆：六十年的研究〉（Sonic Boom: Six Decades of Research）。NASA/SP-2014-622。NASA 技術報告伺服器