Звуковой удар — это звук, связанный с ударными волнами, которые возникают, когда объект движется по воздуху быстрее скорости звука . Звуковые удары генерируют огромное количество звуковой энергии, которая для человеческого уха похожа на взрыв или раскат грома .
Треск сверхзвуковой пули, пролетающей над головой, или треск кнута — примеры звукового удара в миниатюре. [2]
Звуковые удары от больших сверхзвуковых самолетов могут быть особенно громкими и пугающими, могут будить людей и могут нанести незначительный ущерб некоторым сооружениям . Это привело к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя звуковые удары невозможно полностью предотвратить, исследования показывают, что при тщательном проектировании транспортного средства неудобства, вызванные звуковыми ударами, могут быть уменьшены до такой степени, что сверхзвуковой полет над сушей может стать возможным вариантом. [3] [4]
Звуковой удар не происходит только в момент пересечения объектом звукового барьера и не слышен во всех направлениях, исходящих от сверхзвукового объекта. Скорее, удар — это непрерывный эффект, который происходит, пока объект движется со сверхзвуковой скоростью, и влияет только на наблюдателей, которые находятся в точке, пересекающей область в форме геометрического конуса позади объекта. По мере движения объекта эта коническая область также движется позади него, и когда конус проходит над наблюдателем, он на короткое время испытывает «бум».
Когда самолет пролетает через воздух, он создает серию волн давления перед самолетом и позади него, похожих на волны на носу и корме, создаваемые лодкой. Эти волны распространяются со скоростью звука , и по мере увеличения скорости объекта волны сжимаются, или сжимаются, поскольку они не могут достаточно быстро разойтись. В конце концов они сливаются в одну ударную волну, которая распространяется со скоростью звука, критической скоростью, известной как число Маха 1 , что составляет приблизительно 1192 км/ч (741 миль/ч) на уровне моря и при температуре 20 °C (68 °F).
При плавном полете ударная волна начинается в носу самолета и заканчивается в хвосте. Поскольку различные радиальные направления вокруг направления движения самолета эквивалентны (при условии «плавного полета»), ударная волна образует конус Маха , подобный паровому конусу , с самолетом на его вершине. Половина угла между направлением полета и ударной волной определяется по формуле:
где - обратная величина числа Маха самолета . Таким образом, чем быстрее летит самолет, тем тоньше и заострённее конус.
Давление в носу повышается, постепенно снижается до отрицательного давления в хвосте, а затем резко возвращается к нормальному давлению после того, как объект пролетает мимо. Этот « профиль избыточного давления » известен как N-волна из-за своей формы. «Бум» ощущается, когда происходит внезапное изменение давления; поэтому N-волна вызывает два бума — один, когда начальный рост давления достигает наблюдателя, и другой, когда давление возвращается к норме. Это приводит к характерному «двойному буму» от сверхзвукового самолета. Когда самолет маневрирует, распределение давления принимает различные формы с характерной формой U-волны.
Поскольку гул возникает непрерывно, пока самолет летит на сверхзвуковой скорости, он заполняет узкую полосу на земле, следуя траектории полета самолета, немного похожую на разворачивающуюся красную ковровую дорожку , и поэтому называется гулким ковром . Его ширина зависит от высоты полета самолета. Расстояние от точки на земле, где слышен гул, до самолета зависит от его высоты и угла .
Для современных сверхзвуковых самолетов в нормальных условиях эксплуатации пиковое избыточное давление варьируется от менее 50 до 500 Па (от 1 до 10 фунтов на квадратный фут (фунт на квадратный фут)) для удара N-волны. Пиковые избыточные давления для U-волн усиливаются в два-пять раз по сравнению с N-волной, но это усиленное избыточное давление воздействует только на очень небольшую область по сравнению с областью, подвергающейся воздействию остальной части звукового удара. Самый сильный звуковой удар, когда-либо зарегистрированный, составлял 7000 Па (144 фунта на квадратный фут), и он не причинил вреда исследователям, которые подверглись его воздействию. Удар был произведен самолетом F-4, летевшим чуть выше скорости звука на высоте 100 футов (30 м). [5] В недавних испытаниях максимальный удар, измеренный в более реалистичных условиях полета, составил 1010 Па (21 фунт на квадратный фут). Существует вероятность того, что некоторые повреждения — например, разбитое стекло — возникнут в результате звукового удара. Здания в хорошем состоянии не должны пострадать от давления 530 Па (11 psf) или меньше. И, как правило, воздействие звукового удара на население составляет менее 100 Па (2 psf). Движение грунта в результате звукового удара случается редко и значительно ниже порогов структурного повреждения, принятых Бюро горнодобывающей промышленности США и другими агентствами. [6]
Мощность или объем ударной волны зависит от количества воздуха, который ускоряется, и, следовательно, от размера и формы самолета. По мере того, как самолет увеличивает скорость, ударный конус становится все плотнее вокруг судна и слабее до такой степени, что на очень больших скоростях и высотах не слышно никакого гула. «Длина» гула от передней части до задней части зависит от длины самолета в степени 3/2. Поэтому более длинные самолеты «растягивают» свои гули больше, чем меньшие, что приводит к менее мощному гулу. [7]
Несколько меньших ударных волн могут и обычно образуются в других точках самолета, в первую очередь в любых выпуклых точках или изгибах, передней кромке крыла и особенно на входе в двигатели. Эти вторичные ударные волны вызваны тем, что воздух вынужден поворачиваться вокруг этих выпуклых точек, что создает ударную волну в сверхзвуковом потоке .
Поздние ударные волны несколько быстрее первой, движутся быстрее и добавляются к основной ударной волне на некотором расстоянии от самолета, создавая гораздо более определенную форму N-волны. Это максимизирует как величину, так и «время нарастания» ударной волны, из-за чего удар кажется громче. В большинстве конструкций самолетов характерное расстояние составляет около 40 000 футов (12 000 м), что означает, что ниже этой высоты звуковой удар будет «мягче». Однако сопротивление на этой высоте или ниже делает сверхзвуковое движение особенно неэффективным, что создает серьезную проблему.
Сверхзвуковые самолеты — это любые самолеты, которые могут достичь скорости полета быстрее 1 Маха, что относится к скорости звука. «Сверхзвуковые включают скорости, в пять раз превышающие скорость звука, или 5 Маха». (Данбар, 2015) Максимальный пробег в час для сверхзвукового самолета обычно составляет от 700 до 1500 миль в час (от 1100 до 2400 км/ч). Как правило, большинство самолетов не превышают скорость 1500 миль в час (2414 км/ч). Существует множество разновидностей сверхзвуковых самолетов. Некоторые модели сверхзвуковых самолетов используют более совершенную аэродинамику, которая позволяет немного пожертвовать аэродинамикой модели ради мощности двигателя. Другие модели используют эффективность и мощность двигателя, чтобы позволить менее аэродинамической модели достигать большей скорости. Типичная модель, используемая в военных целях США, стоит в среднем от 13 до 35 миллионов долларов США.
Давление от звуковых ударов , вызванных самолетами, часто составляет несколько фунтов на квадратный фут. Транспортное средство, летящее на большей высоте, будет создавать более низкое давление на землю, поскольку ударная волна уменьшается по мере того, как она распространяется от транспортного средства, но звуковые удары меньше подвержены влиянию скорости транспортного средства.
В конце 1950-х годов, когда активно разрабатывались проекты сверхзвуковых транспортных самолетов (SST), считалось, что, хотя бум будет очень большим, проблем можно избежать, летая выше. Это предположение оказалось ложным, когда North American XB-70 Valkyrie впервые поднялся в воздух, и было обнаружено, что бум был проблемой даже на высоте 70 000 футов (21 000 м). Именно во время этих испытаний впервые была охарактеризована N-волна.
Ричард Сибасс и его коллега Альберт Джордж из Корнелльского университета подробно изучили проблему и в конечном итоге определили « показатель качества » (FM) для характеристики уровней звукового удара различных самолетов. FM является функцией веса самолета и длины самолета. Чем ниже это значение, тем меньше гул, который создает самолет, при этом приемлемыми считаются значения около 1 или ниже. Используя этот расчет, они нашли FM около 1,4 для Concorde и 1,9 для Boeing 2707. Это в конечном итоге обрекли большинство проектов SST, поскольку общественное недовольство, смешанное с политикой, в конечном итоге привело к принятию законов, которые сделали любой такой самолет менее полезным (например, летающий на сверхзвуке только над водой). Предпочтение отдается небольшим конструкциям самолетов, таким как бизнес-джеты, которые, как правило, производят минимальный или нулевой слышимый гул. [7]
Основываясь на более ранних исследованиях Л. Б. Джонса [9] , Сибасс и Джордж определили условия, при которых ударные волны звукового удара могут быть устранены. Эта работа была расширена Кристиной М. Дарден [10] [11] и описана как теория Джонса-Сибасса-Джорджа-Дардена минимизации звукового удара . [7] Эта теория подошла к проблеме с другого угла, пытаясь распространить N-волну в поперечном и временном направлении (в продольном направлении), создавая сильный и сфокусированный вниз ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) скачок уплотнения в остром, но широкоугольном носовом конусе, который будет двигаться со слегка сверхзвуковой скоростью ( головной скачок уплотнения ), и используя стреловидное летающее крыло или наклонное летающее крыло, чтобы сгладить этот скачок уплотнения вдоль направления полета (хвост скачка уплотнения движется со звуковой скоростью). Чтобы адаптировать этот принцип к существующим самолетам, которые создают ударную волну на носовом обтекателе и еще более сильную на передней кромке крыла, фюзеляж под крылом формируется в соответствии с правилом площади . В идеале это увеличило бы характерную высоту с 40 000 футов (12 000 м) до 60 000 футов (с 12 000 м до 18 000 м), что соответствует предполагаемому уровню большинства самолетов SST. [7]
_DARPA_sonic_tests_04.07R.jpg/1280px-Northrop_F-5E_(modified)_DARPA_sonic_tests_04.07R.jpg)
Это оставалось непроверенным в течение десятилетий, пока DARPA не начало проект Quiet Supersonic Platform и не профинансировало самолет Shaped Sonic Boom Demonstration (SSBD) для его тестирования. SSBD использовал истребитель F-5 Freedom Fighter . F-5E был модифицирован с помощью сильно усовершенствованной формы, которая удлинила нос до модели F-5F. Обтекатель простирался от носа назад к входным отверстиям на нижней стороне самолета. SSBD испытывался в течение двух лет, завершившись 21 полетом, и представлял собой обширное исследование характеристик звукового удара. После измерения 1300 записей, некоторые из которых были сделаны внутри ударной волны преследующим самолетом , SSBD продемонстрировал снижение удара примерно на треть. Хотя одна треть — это не огромное снижение, он мог бы снизить удар Конкорда до приемлемого уровня ниже FM = 1.
В качестве продолжения SSBD в 2006 году группа NASA - Gulfstream Aerospace испытала Quiet Spike на самолете NASA Dryden F-15B 836. Quiet Spike - это телескопическая штанга, установленная на носу самолета, специально разработанная для ослабления силы ударных волн, образующихся на носу самолета на сверхзвуковых скоростях. Было выполнено более 50 испытательных полетов. Несколько полетов включали зондирование ударных волн вторым F-15B, испытательным стендом Intelligent Flight Control System NASA , самолетом 837.
Некоторые теоретические конструкции, похоже, вообще не создают звуковых ударов, например, биплан Буземана . Однако создание ударной волны неизбежно, если она создает аэродинамическую подъемную силу. [7]
В 2018 году НАСА заключило с Lockheed Martin контракт на сумму 247,5 млн долларов на создание конструкции, известной как Low Boom Flight Demonstrator , которая направлена на уменьшение гула до звука закрывающейся двери автомобиля. [12] По состоянию на октябрь 2023 года первый полет ожидался в 2024 году. [13]
Звук звукового удара во многом зависит от расстояния между наблюдателем и формой самолета, производящего звуковой удар. Звуковой удар обычно слышен как глубокий двойной «бум», поскольку самолет обычно находится на некотором расстоянии. Звук очень похож на звук минометных бомб , обычно используемых в фейерверках . Распространено заблуждение, что только один удар генерируется во время перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости; скорее, удар непрерывен вдоль ковра удара в течение всего сверхзвукового полета. Как выразился бывший пилот Concorde: «Вы на самом деле ничего не слышите на борту. Все, что мы видим, это волна давления, движущаяся вниз по самолету — она указывает на приборы. И это то, что мы видим около 1 Маха. Но мы не слышим звуковой удар или что-то в этом роде. Это скорее похоже на след корабля — он позади нас». [14]
В 1964 году НАСА и Федеральное управление гражданской авиации начали испытания звукового удара в Оклахома-Сити , которые вызывали восемь звуковых ударов в день в течение шести месяцев. В ходе эксперимента были собраны ценные данные, но было подано 15 000 жалоб, что в конечном итоге втянуло правительство в коллективный иск, который оно проиграло в апелляции в 1969 году.
Звуковые удары также были неприятностью в Северном Корнуолле и Северном Девоне в Великобритании, поскольку эти районы находились под траекторией полета Concorde. Окна дребезжали, а в некоторых случаях « факел » (кладочный раствор под шифером крыши) смещался из-за вибрации.
В этой области недавно проводились работы, в частности, в рамках исследований DARPA Quiet Supersonic Platform. Исследования экспертов по акустике в рамках этой программы начали более пристально изучать состав звуковых ударов, включая частотный состав. Несколько характеристик традиционной звуковой ударной волны «N» могут влиять на то, насколько громко и раздражающе она может восприниматься слушателями на земле. Даже сильные N-волны, такие как те, что генерируются «Конкордом» или военными самолетами, могут быть гораздо менее нежелательными, если время нарастания избыточного давления достаточно велико. Появилась новая метрика, известная как воспринимаемая громкость, измеряемая в PLdB. Она учитывает частотный состав, время нарастания и т. д. Известным примером является щелчок пальцами , при котором «воспринимаемый» звук не более чем раздражает.
Диапазон энергии звукового удара сосредоточен в диапазоне частот 0,1–100 Гц , что значительно ниже, чем у дозвуковых самолетов, выстрелов и большинства промышленных шумов . Продолжительность звукового удара коротка; менее секунды, 100 миллисекунд (0,1 секунды) для большинства самолетов размером с истребитель и 500 миллисекунд для космического челнока или реактивного лайнера Concorde. Интенсивность и ширина траектории звукового удара зависят от физических характеристик самолета и того, как он эксплуатируется. В общем, чем больше высота самолета, тем ниже избыточное давление на землю. Большая высота также увеличивает боковое распространение удара, подвергая удару более широкую область. Однако избыточное давление в зоне воздействия звукового удара не будет равномерным. Интенсивность удара наибольшая непосредственно под траекторией полета, постепенно ослабевая с увеличением горизонтального расстояния от траектории полета самолета. Ширина наземной поверхности зоны воздействия бума составляет приблизительно 1 статутную милю (1,6 км) на каждые 1000 футов (300 м) высоты (ширина примерно в пять раз больше высоты); то есть самолет, летящий сверхзвуковой на высоте 30 000 футов (9 100 м), создаст боковое распространение бума примерно в 30 миль (48 км). Для устойчивого сверхзвукового полета бум описывается как ковровый бум, поскольку он движется вместе с самолетом, поддерживая сверхзвуковую скорость и высоту. Некоторые маневры, пикирование, ускорение или поворот могут вызвать фокусировку бума. Другие маневры, такие как замедление и набор высоты, могут уменьшить силу удара. В некоторых случаях погодные условия могут искажать звуковые удары. [6]
В зависимости от высоты полета самолета звуковые удары достигают земли через 2–60 секунд после пролета. Однако не все удары слышны на уровне земли. Скорость звука на любой высоте зависит от температуры воздуха. Уменьшение или увеличение температуры приводит к соответствующему уменьшению или увеличению скорости звука. В стандартных атмосферных условиях температура воздуха уменьшается с увеличением высоты. Например, когда температура на уровне моря составляет 59 градусов по Фаренгейту (15 °C), температура на высоте 30 000 футов (9 100 м) падает до минус 49 градусов по Фаренгейту (−45 °C). Этот температурный градиент помогает изгибать звуковые волны вверх. Поэтому для того, чтобы удар достиг земли, скорость самолета относительно земли должна быть больше скорости звука у земли. Например, скорость звука на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет около 670 миль в час (1 080 км/ч), но самолет должен лететь со скоростью не менее 750 миль в час (1 210 км/ч) (1,12 Маха), чтобы на земле был слышен гул. [6]
Состав атмосферы также является фактором. Изменения температуры, влажность , загрязнение атмосферы и ветры могут влиять на то, как звуковой удар воспринимается на земле. Даже сама земля может влиять на звук звукового удара. Твердые поверхности, такие как бетон , тротуар и большие здания, могут вызывать отражения, которые могут усиливать звук звукового удара. Аналогично, травянистые поля и обильная листва могут помочь ослабить силу избыточного давления звукового удара.
В настоящее время не существует общепринятых в отрасли стандартов приемлемости звукового удара. Тем не менее, ведется работа по созданию показателей, которые помогут понять, как люди реагируют на шум, создаваемый звуковыми ударами. [15] Пока такие показатели не будут установлены, либо путем дальнейшего изучения, либо путем испытаний сверхзвукового пролета, сомнительно, что будет принято законодательство, отменяющее текущий запрет на сверхзвуковой пролет, действующий в нескольких странах, включая Соединенные Штаты.
Щелкающий звук, который издает кнут , когда им правильно пользуются, на самом деле является небольшим звуковым ударом. Конец кнута, известный как «крекер», движется быстрее скорости звука, создавая таким образом звуковой удар. [2]
Кнут сужается от рукоятки к хлопушке. У хлопушки масса гораздо меньше, чем у рукоятки. Когда хлыст резко взмахивают, импульс передается по длине сужающегося хлыста, уменьшающаяся масса компенсируется увеличением скорости. Горили и Макмиллен показали, что физическое объяснение является сложным, включая способ, которым петля движется вниз по конической нити под натяжением. [16]
