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可压缩流体模拟器

马赫角与马赫锥计算器|超声速角度和到达延迟

由马赫数计算μ=arcsin(1/M)。通过M=2和M=3的算例比较半锥角、地面交点及飞越头顶后的到达延迟,并区分马赫角与有限强度激波角。

参数设置
马赫数 M
—
音速 c
m/s
飞行高度 h
m
观察者水平位置 x
m
预设
播放速度
橙色声源向右移动并发出以声速扩展的圆形波面。M<1时前方波面密集,M=1时波面成墙,M>1时切线包络形成马赫锥。可通过预设比较这些状态。
观察者x是在重新开始时从声源向前测量的固定地面位置。从头开始会重置声源、观察者和波面。更改M、声速或高度也会重建恒定条件下的波面历史。显示的延迟从通过观察者正上方计时;从开始到达的时间为x/V加上该延迟(M>1)。
计算结果
—
马赫角 μ
—
飞行速度 V
—
锥形到达时间延迟
—
锥形到达水平距离

—

马赫锥与地表音爆

橙色声源向右移动并发出蓝色圆形波面。M<1时前方波面密集,M=1时波面成墙,M>1时黄色切线形成马赫锥。绿色为固定观察者,红叉为锥面与地表交点。

马赫角 μ(M) 曲线

曲线μ=arcsin(1/M),范围M=1~5。仅M≥1时显示输入值标记;M<1时角度未定义,不绘制标记。播放推进波面时间,不更改M。

理论与主要公式

马赫角(锥形的半顶角):

$$\sin\mu = \frac{1}{M}, \qquad \mu = \arcsin\!\left(\frac{1}{M}\right)$$

飞行速度和地表音爆到达距离:

$$V = M\,c, \qquad \ell = \frac{h}{\tan\mu}$$

锥形到达的时间延迟(飞行体通过正上方到音爆到达观察者的时间):

$$t_{\text{delay}} = \frac{\ell}{V} = \frac{h}{V\tan\mu} = \frac{h}{M\,c\,\tan\mu}$$

$M\lt 1$ 时扰动向前传播,不形成锥形;$M=1$ 时为平面波;$M\gt 1$ 时才出现马赫锥。本工具默认 $M=2,\ c=343\ \text{m/s},\ h=1000\ \text{m}$ 时有 $\mu=30^\circ$,$V=686\ \text{m/s}$,$\ell=1732\ \text{m}$,$t_{\text{delay}}=2.52\ \text{s}$。

输入与单位

M无量纲,声速c输入m/s,高度h和观察者位置x输入m。x沿飞行方向,不是横向偏移。延迟从点源飞越观察者头顶的时刻开始计量。

计算示例与校验

M=2的基准例

M=2、c=343m/s、h=1000m、x=0:V=686m/s,μ=30.0°,ℓ≈1732m,Δt≈2.52s。1000/343≈2.92s是垂直声传播时间,并非飞越头顶后的延迟。

改为M=3

c与h不变,M=3时V=1029m/s,μ≈19.5°,ℓ≈2828m,Δt≈2.75s。半锥角减小,而该条件下的延迟增加。只将高度加倍,ℓ和Δt均加倍。

公式与适用范围

点源以恒定速度V=Mc在均匀静止介质中水平运动。M>1时μ=arcsin(1/M),ℓ=h/tanμ=h√(M²−1),Δt=ℓ/(Mc)。ℓ为点源后方地面交点的水平距离。本几何模型不计算压力幅值、噪声级或风与温度分层造成的折射。

常见问题

M≤1时存在马赫锥吗?

M<1时不形成马赫锥。M=1显示半角90°的极限,但不作为超声速到达延迟计算。

马赫角等于激波角吗?

不一定。μ描述微小扰动;有限楔形或圆锥物体周围的激波角还取决于形状、转向角等条件。

为什么改变观察者x不改变Δt?

x沿飞行路径,改变飞越头顶的绝对时刻;在恒定高度和速度下,飞越之后的延迟Δt保持不变。

参考资料

NASA Glenn — Mach Angle

阅读理论说明

说明与算例核对:2026年9月9日

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