Sonic Boom

a boom sonic é um som associado a ondas de choque criadas quando um objeto viaja pelo ar mais rápido que a velocidade do som. Os booms sônicos geram enormes quantidades de energia sonora, soando semelhantes a uma explosão ou um trovão para o ouvido humano.

A rachadura de uma bala supersônica que passa por cima ou a rachadura de um chicote são exemplos de um boom sônico em miniatura.

Os booms sônicos devido a grandes aeronaves supersônicos podem ser particularmente altos e surpreendentes, tendem a despertar pessoas e podem causar pequenos danos a algumas estruturas. Isso levou à proibição de vôo supersônico de rotina por terra. Embora não possam ser completamente evitados, a pesquisa sugere que, com a modelagem cuidadosa do veículo, o incômodo devido aos booms sônicos pode ser reduzido a ponto de que o voo supersônico percorrido pode se tornar uma opção viável.

Um boom sônico não ocorre apenas no momento em que um objeto cruza a barreira do som e nenhum deles é ouvido em todas as direções que emanar do objeto supersônico. Em vez disso, o boom é um efeito contínuo que ocorre enquanto o objeto está viajando em velocidades supersônicas e afeta apenas observadores que estão posicionados em um ponto que cruza uma região na forma de um cone geométrico por trás do objeto. À medida que o objeto se move, essa região cônica também se move para trás e quando o cone passa sobre o observador, eles experimentarão brevemente o "boom".

Quando uma aeronave passa pelo ar, cria uma série de ondas de pressão em frente à aeronave e atrás dela, semelhante ao arco e as ondas severes criadas por um barco. Essas ondas viajam à velocidade do som e, à medida que a velocidade do objeto aumenta, as ondas são forçadas juntas ou comprimidas, porque não podem sair do outro rapidamente. Eventualmente, eles se fundem em uma única onda de choque, que viaja à velocidade do som, uma velocidade crítica conhecida como mach 1, que é aproximadamente 1.192 km/h (741 mph) no nível do mar e 20 ° C (68 ° F).

No voo suave, a onda de choque começa no nariz da aeronave e termina na cauda. Como as diferentes direções radiais em torno da direção da aeronave de viagem são equivalentes (dadas a condição de "velote suave"), a onda de choque forma um cone Mach, semelhante a um cone de vapor, com a aeronave em sua ponta. O meio ângulo $- Sim.$ entre a direção do voo e a onda de choque é dada por:

${\displaystyle \sin \alpha - Sim. {v_{\text{sound}}}{v_{\text{object}}}}}}}}}$,

Onde? ${\displaystyle {\tfrac {v_{\text{sound}}}{v_{\text{object}}}}}}}}$ é o inverso $- Sim.$ do número Mach do avião ${\displaystyle \mathrm {Ma} ={\tfrac {v_{\text{object}}}{v_{\text{sound}}}}}}}}$. Assim, quanto mais rápido o avião viaja, mais fino e mais apontado o cone é.

Há um aumento na pressão no nariz, diminuindo constantemente para uma pressão negativa na cauda, seguida por um retorno repentino à pressão normal após o passar do objeto. Este perfil de sobrepressa " é conhecido como uma onda N por causa de sua forma. O boom " é experimentado quando há uma mudança repentina de pressão; Portanto, uma onda N causa dois booms-um quando o aumento da pressão inicial atinge um observador e outro quando a pressão retorna ao normal. Isso leva a um boom duplo distinto " de uma aeronave supersônica. Quando a aeronave está manobrando, a distribuição de pressão se transforma em diferentes formas, com uma forma característica de onda em U.

Desde que o boom está sendo gerado continuamente enquanto a aeronave é supersônica, ele preenche um caminho estreito no chão após o caminho de voo da aeronave, um pouco como um tapete vermelho não rolante, e, portanto, conhecido como o tapete de boom. Sua largura depende da altitude da aeronave. A distância do ponto no chão onde o boom é ouvido para a aeronave depende de sua altitude e do ângulo $- Sim.$.

Para aeronaves supersônicas de hoje em condições operacionais normais, a sobrepressão de pico varia de menos de 50 a 500 pA (1 a 10 psf (libra por pé quadrado)) para um boom de onda n. O pico de excesso de pressão para ondas em U é amplificado duas a cinco vezes a onda N, mas essa sobrepressão amplificada afeta apenas uma área muito pequena quando comparada à área exposta ao restante do boom sônico. O boom sônico mais forte já registrado foi de 7.000 pa (144 psf) e não causou ferimentos aos pesquisadores que foram expostos a ele. O boom foi produzido por um F-4 voando logo acima da velocidade do som a uma altitude de 30 metros (30 m). Nos testes recentes, o boom máximo medido durante condições de voo mais realistas foi de 1.010 pA (21 psf). Há uma probabilidade de que alguns danos - vidro ralado, por exemplo - resultarão de um boom sônico. Os edifícios em boas condições não devem sofrer danos por pressões de 530 pA (11 psf) ou menos. E, normalmente, a exposição comunitária ao boom sônico está abaixo de 100 pa (2 psf). O movimento do solo resultante do boom sônico é raro e está bem abaixo dos limiares de danos estruturais aceitos pelo Bureau of Mines e outras agências dos EUA.

A potência, ou volume, da onda de choque, depende da quantidade de ar que está sendo acelerada e, portanto, o tamanho e a forma da aeronave. À medida que a aeronave aumenta a velocidade, o cone de choque fica mais apertado em torno da nave e se torna mais fraco a ponto de que em velocidades e altitudes muito altas, nenhum boom é ouvido. O comprimento " " do boom de frente para trás depende do comprimento da aeronave para uma potência de 3/2. Aeronaves mais longas, portanto, se espalham " Seus booms mais do que menores, o que leva a um boom menos poderoso.

Várias ondas de choque menores podem e geralmente se formam em outros pontos da aeronave, principalmente em qualquer ponto convexo, ou curvas, a borda principal da asa e, especialmente, a entrada dos motores. Essas ondas de choque secundárias são causadas pelo ar sendo forçado a mudar esses pontos convexos, o que gera uma onda de choque no fluxo supersônico.

As ondas de choque posteriores são um pouco mais rápidas que as primeiras, viajam mais rápido e adicionam à onda de choque principal a alguma distância da aeronave para criar uma forma de onda N muito mais definida. Isso maximiza a magnitude e o tempo de subida " do choque que faz o boom parecer mais alto. Na maioria dos projetos de aeronaves, a distância característica é de cerca de 12.000 m, o que significa que, abaixo dessa altitude, o boom sônico será mais suave " No entanto, o arrasto nessa altitude ou abaixo faz de viagens supersônicas particularmente ineficientes, o que representa um problema sério.

Aeronaves supersônicas são qualquer aeronave que possa atingir o vôo mais rápido que o Mach 1, que se refere à velocidade do som. O SuperSonic inclui velocidades até cinco vezes Mach do que a velocidade do som, ou Mach 5. " (Dunbar, 2015) A quilometragem superior por hora para uma aeronave supersônica normalmente varia de 700 a 1.500 milhas por hora (1.100 a 2.400 km/h). Normalmente, a maioria das aeronaves não excede 2.414 km/h. Existem muitas variações de aeronaves supersônicas. Alguns modelos de aeronaves supersônicos usam aerodinâmica de melhor engenharia que permitem alguns sacrifícios na aerodinâmica do modelo para poder de propulso. Outros modelos usam a eficiência e a potência do propulsor para permitir que um modelo menos aerodinâmico atinja maiores velocidades. Um modelo típico encontrado no uso militar dos Estados Unidos varia de uma média de US $ 13 milhões a US $ 35 milhões.

A pressão dos booms sônicos causada por aeronaves geralmente é de alguns quilos por pé quadrado. Um veículo que voa em maior altitude gerará pressões mais baixas no solo, porque a onda de choque reduz de intensidade à medida que se espalha para longe do veículo, mas os booms sônicos são menos afetados pela velocidade do veículo.

Aviões	Velocidade	Altitude	Pressão
SR-71 Blackbird	Mach 3+	80.000 pés (24,000 m)	0.9.0 Lbf/ft2	43 Pa
Concorde (SST)	Mach 2	52.000 pés (16,000 m)	1.94 lbf/ft2	93 Pa
F-104 Starfighter	Mach 1.93	48,000 pés (15.000 m)	00 Lbf/ft2	38 Pa
Shuttle do espaço	Mach 1.5	60.000 pés (18,000 m)	1.25 lbf/ft2	60 Pa
Ref:

No final da década de 1950, quando os projetos de transporte supersônico (SST) estavam sendo perseguidos ativamente, pensava -se que, embora o boom fosse muito grande, os problemas poderiam ser evitados voando mais alto. Essa suposição foi provada falsa quando o XB-70 da América do Norte Valkyrie voou pela primeira vez, e verificou-se que o boom era um problema, mesmo a 21.000 m de 70.000 metros. Foi durante esses testes que a onda n foi caracterizada pela primeira vez.

Richard Seebass e seu colega Albert George na Universidade de Cornell estudaram o problema extensivamente e, eventualmente, definiram a figura de mérito de mérito " (FM) para caracterizar os níveis sônicos de boom de diferentes aeronaves. FM é uma função do peso e do comprimento da aeronave. Quanto menor esse valor, menos o aumento da aeronave gera, com figuras de cerca de 1 ou menor sendo considerado aceitável. Usando esse cálculo, eles encontraram FMS de cerca de 1,4 para Concorde e 1,9 para o Boeing 2707. Isso acabou condenando a maioria dos projetos SST como ressentimento público, misturado com a política, acabou resultando em leis que tornaram qualquer aeronave menos útil (voando supersonicamente apenas sobre a água por exemplo). Os pequenos designs de avião, como jatos de negócios, são favorecidos e tendem a produzir booms mínimos ou não audíveis.

Com base nas pesquisas anteriores de L. B. Jones, Seebass e George identificaram condições nas quais ondas de choque de boom sônico poderiam ser eliminadas. Este trabalho foi estendido por Christine. M. Darden e descrito como a teoria Jones-Sebass-George-Darden da minimização do boom sônico . Essa teoria, abordou o problema de um ângulo diferente, tentando espalhar a onda n lateral e temporal (longitudinalmente), produzindo um choque forte e focado para baixo (SR-71 Blackbird, Boeing X-43) em um nítido, Mas o cone de nariz de grande angular, que viajará em velocidade levemente supersônica (choque de arco), e usando uma asa voadora traseira varrida ou uma asa voadora oblíqua para suavizar esse choque ao longo da direção do vôo (a cauda do choque viaja em Sonic Speed ). Para adaptar esse princípio aos aviões existentes, que geram um choque no cone do nariz e ainda mais fortes na borda da asa, a fuselagem abaixo da asa é moldada de acordo com a regra da área. Idealmente, isso aumentaria a altitude característica de 12.000 m a 60.000 pés (de 12.000 a 18.000 m), onde é onde a maioria das aeronaves SST deveria voar.

Isso permaneceu não testado por décadas, até que a DARPA iniciou o projeto de plataforma supersônica tranquila e financiou a aeronave Sonic Sonic Boom Demonstration (SSBD) para testá -lo. O SSBD usou um lutador de liberdade F-5. O F-5E foi modificado com uma forma altamente refinada que prolongou o nariz ao do modelo F-5F. A carenagem se estendeu do nariz de volta para as enseadas na parte inferior da aeronave. O SSBD foi testado ao longo de dois anos culminando em 21 vôos e foi um extenso estudo sobre características do boom sônico. Depois de medir as 1.300 gravações, algumas levadas dentro da onda de choque por um plano de perseguição, o SSBD demonstrou uma redução no boom em cerca de um terço. Embora um terço não seja uma redução enorme, ela poderia ter reduzido o boom do Concorde para um nível aceitável abaixo de FM = 1.

Como um seguimento para o SSBD, em 2006, uma equipe aeroespacial da NASA-Gulfstream testou o pico silencioso na aeronave F-15B da NASA Dryden ' Projetado especificamente para enfraquecer a força das ondas de choque que se formam no nariz da aeronave em velocidades supersônicas. Mais de 50 voos de teste foram realizados. Vários vôos incluíram a investigação das ondas de choque por um segundo F-15B, o sistema de controle de vôo inteligente da NASA, aeronave 837.

Alguns projetos teóricos não parecem criar booms sônicos, como o biplano de BuSemann. No entanto, a criação de uma onda de choque é inevitável se gerar elevador aerodinâmico.

Em 2018, a NASA concedeu à Lockheed Martin um contrato de US $ 247,5 milhões para construir um design conhecido como demonstrador de voo de baixo boom, que visa reduzir o boom ao som de um fechamento de porta de carro. Em outubro de 2023, o primeiro voo era esperado em 2024.

O som de um boom sônico depende em grande parte da distância entre o observador e a forma da aeronave que produz o boom sônico. Um boom sônico é geralmente ouvido como um duplo profundo " boom " Como a aeronave geralmente fica a alguma distância. O som é muito parecido com o de bombas de argamassa, comumente usado em exibições de fogos de artifício. É um equívoco comum que apenas um boom seja gerado durante a transição subsônica para supersônica; Em vez disso, o boom é contínuo ao longo do tapete de boom para todo o voo supersônico. Como um ex -piloto de Concorde coloca, você não ouve nada a bordo. Tudo o que vemos é a onda de pressão que se move no avião - indica os instrumentos. E é isso que vemos em torno de Mach 1. Mas não ouvimos o boom sônico ou qualquer coisa assim. Isso é como o despertar de um navio - está atrás de nós.

Em 1964, a NASA e a Administração Federal de Aviação iniciaram os testes Sonic Boom de Oklahoma City, que causaram oito booms sônicos por dia durante seis meses. Dados valiosos foram coletados a partir do experimento, mas 15.000 reclamações foram geradas e finalmente envolveram o governo em um processo de ação coletiva, que perdeu em recurso em 1969.

Os booms sônicos também foram um incômodo no norte da Cornualha e no norte de Devon, no Reino Unido, pois essas áreas estavam embaixo do caminho de voo de Concorde. As janelas agitavam e, em alguns casos, a tocha de tocha " (apontando sob as ardósias do telhado) seria desalojado com a vibração.

Houve um trabalho recente nessa área, principalmente sob os estudos de plataforma supersônica silenciosa de Darpa. A pesquisa de especialistas em acústica deste programa começou a olhar mais de perto a composição de booms sônicos, incluindo o conteúdo de frequência. Várias características do boom sônico tradicional " n " A onda pode influenciar o quão alto e irritante isso pode ser percebido pelos ouvintes no chão. Mesmo ondas N fortes, como as geradas por concorda ou aeronaves militares, podem ser muito menos censuráveis se o tempo de subida da excesso de pressão for suficientemente longo. Surgiu uma nova métrica, conhecida como fluxo percebido , medido no PLDB. Isso leva em consideração o conteúdo de frequência, o tempo de subida etc. Um exemplo bem conhecido é o estalo dos dedos dos quais os dedos nos quais os "são percebidos"; O som nada mais é do que um aborrecimento.

A faixa de energia do boom sônico está concentrada na faixa de frequência de 0,1-100 Hertz, consideravelmente abaixo da de aeronaves subsônica, tiros e o ruído mais industrial. A duração do boom sonic é breve; Menos de um segundo, 100 milissegundos (0,1 segundo) para a maioria das aeronaves de tamanho de caça e 500 milissegundos para o ônibus espacial ou o jetline Concorde. A intensidade e a largura de um caminho de lança sônica dependem das características físicas da aeronave e de como ela é operada. Em geral, quanto maior a altitude da aeronave, menor a pressão excessiva no chão. A maior altitude também aumenta a propagação lateral do boom, expondo uma área mais ampla ao boom. O excesso de pressão na área de impacto do boom sônico, no entanto, não será uniforme. A intensidade do boom é maior diretamente sob a trajetória de vôo, enfraquecendo progressivamente com maior distância horizontal da pista de vôo da aeronave. A largura do solo da área de exposição ao lança é de aproximadamente 1 quilômetro estatuto (1,6 km) para cada 1.000 pés (300 m) de altitude (a largura é cerca de cinco vezes a altitude); Ou seja, uma aeronave que voa supersônica a 9.100 m) criará um spread lateral de cerca de 48 km. Para vôo supersônico constante, o boom é descrito como um boom do tapete, pois se move com a aeronave, pois mantém velocidade e altitude supersônicas. Algumas manobras, mergulho, aceleração ou giro, podem causar o foco do boom. Outras manobras, como desaceleração e escalada, podem reduzir a força do choque. Em alguns casos, as condições climáticas podem distorcer os booms sônicos.

Dependendo da altitude da aeronave, os booms sônicos atingem o solo 2 a 60 segundos após o viaduto. No entanto, nem todos os booms são ouvidos no nível do solo. A velocidade do som em qualquer altitude é uma função da temperatura do ar. Uma diminuição ou aumento da temperatura resulta em uma diminuição ou aumento correspondente na velocidade de som. Em condições atmosféricas padrão, a temperatura do ar diminui com o aumento da altitude. Por exemplo, quando a temperatura do nível do mar é de 59 graus Fahrenheit (15 ° C), a temperatura a 9.100 m (a 30.000 pés) cai para menos de 49 graus Fahrenheit (-45 ° C). Esse gradiente de temperatura ajuda a dobrar as ondas sonoras para cima. Portanto, para que um boom atinja o solo, a velocidade da aeronave em relação ao solo deve ser maior que a velocidade do som no chão. Por exemplo, a velocidade do som a 9.100 metros é de cerca de 1.080 km/h, mas uma aeronave deve viajar pelo menos 750 milhas por hora (1.210 km/h) (Mach 1.12) para um Boom a ser ouvido no chão.

A composição da atmosfera também é um fator. Variações de temperatura, umidade, poluição atmosférica e ventos podem afetar como um boom sônico é percebido no solo. Até o próprio solo pode influenciar o som de um boom sônico. Superfícies duras, como concreto, pavimento e edifícios grandes, podem causar reflexões que podem amplificar o som de um boom sônico. Da mesma forma, campos gramados e folhagem profusa podem ajudar a atenuar a força da sobrepressão de um boom sônico.

Atualmente, não há padrões aceitados pelo setor para a aceitabilidade de um boom sônico. No entanto, está em andamento o trabalho para criar métricas que ajudem a entender como os seres humanos respondem ao ruído gerado pelo Sonic Booms. Até que essas métricas possam ser estabelecidas, por meio de estudos mais aprofundados ou testes supersônicos, é duvidoso que a legislação seja promulgada para remover a proibição atual de sobrevivência supersônica em vários países, incluindo os Estados Unidos.

Bullwhip

O som de rachaduras que um chicote de touca faz quando empunhado corretamente é, de fato, um pequeno boom sônico. O final do chicote, conhecido como o "Cracker", move -se mais rápido que a velocidade do som, criando assim um boom sônico.

Um chicote de bull -chhip diminui da seção da alça para o cracker. O cracker tem muito menos massa que a seção da alça. Quando o chicote é acentuado, o momento é transferido pelo comprimento do chicote, sendo a massa em declínio compensada com a crescente velocidade. Goriely e McMillen mostraram que a explicação física é complexa, envolvendo a maneira como um loop percorre um filamento cônico sob tensão.

Ver também

• Radiação de Cherenkov
• Hypersonic
• Terremoto de Supershear
• Lançamento da vibração do solo
• Christine Darden

Referências

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Ligações externas

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• Boston Globe profile of Spike Aerospace planejado S-521 supersonic jet Arquivado em 22 de junho de 2016 no Wayback Machine