Estampido supersónico

La fuente de sonido está viajando a 1.4 veces la velocidad del sonido (Mach 1.4). Puesto que la fuente se mueve más rápido que las ondas de sonido que crea, conduce el avance de la onda.

Un boom sonoro producido por un avión que se mueve en M=2.92, calculado desde el ángulo del cono de 20 grados. Los observadores no oyen nada hasta que la onda de choque, en los bordes del cono, cruce su ubicación.

Ángulo de cono machista

Los datos de la NASA muestran firma de onda N.

Onda de choque cónica con su zona de contacto terrestre en forma de hiperbola en amarillo

Un boom sónico es un sonido asociado con ondas de choque creadas cuando un objeto viaja por el aire más rápido que la velocidad del sonido. Los estampidos sónicos generan enormes cantidades de energía sonora, con un sonido similar a una explosión o un trueno para el oído humano. Un decibelio es la unidad principal de medida del sonido. "Un trueno es increíblemente fuerte, produciendo niveles entre 100 y 120 dBA (decibeles A), el equivalente a estar parado cerca de un avión durante el despegue."

El chasquido de una bala supersónica que pasa por encima o el chasquido de un látigo son ejemplos de un estampido sónico en miniatura.

Los estampidos sónicos producidos por grandes aviones supersónicos pueden ser especialmente fuertes y alarmantes, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras. Esto llevó a la prohibición de los vuelos supersónicos de rutina por tierra. Aunque no se pueden prevenir por completo, la investigación sugiere que con una forma cuidadosa del vehículo, la molestia debida a los estampidos sónicos puede reducirse hasta el punto de que el vuelo supersónico por tierra puede convertirse en una opción factible.

Un estampido sónico no ocurre solo en el momento en que un objeto cruza la barrera del sonido y tampoco se escucha en todas las direcciones emanando del objeto supersónico. Más bien, el boom es un efecto continuo que ocurre mientras el objeto viaja a velocidades supersónicas y afecta solo a los observadores que están ubicados en un punto que intersecta una región en forma de cono geométrico detrás del objeto. A medida que el objeto se mueve, esta región cónica también se mueve detrás de él y cuando el cono pasa sobre el observador, experimentará brevemente el 'boom'.

Causas

Cuando un avión pasa por el aire, crea una serie de ondas de presión delante y detrás del avión, similares a las ondas de proa y popa creadas por un barco. Estas ondas viajan a la velocidad del sonido y, a medida que aumenta la velocidad del objeto, las ondas se juntan o comprimen porque no pueden apartarse unas de otras con la suficiente rapidez. Eventualmente, se fusionan en una sola onda de choque, que viaja a la velocidad del sonido, una velocidad crítica conocida como Mach 1, y es de aproximadamente 1192 km/h (741 mph) al nivel del mar y 20 °C. (68 °F).

En vuelo suave, la onda de choque comienza en la nariz del avión y termina en la cola. Debido a que las diferentes direcciones radiales alrededor de la dirección de viaje del avión son equivalentes (debido a la condición de "viajes suaves", la onda de choque forma un cono Mach, similar a un cono de vapor, con el avión en su punta. El medio triángulo α α {displaystyle alpha } entre la dirección del vuelo y la onda de choque se da por:

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Hay un aumento en la presión en la nariz, que disminuye constantemente hasta una presión negativa en la cola, seguida de un regreso repentino a la presión normal después de que pasa el objeto. Este "perfil de sobrepresión" se conoce como onda N debido a su forma. El "boom" se experimenta cuando hay un cambio repentino en la presión; por lo tanto, una onda N provoca dos auges: uno cuando el aumento de presión inicial llega a un observador y otro cuando la presión vuelve a la normalidad. Esto conduce a un distintivo "boom doble" de un avión supersónico. Cuando la aeronave está maniobrando, la distribución de la presión cambia en diferentes formas, con una forma de onda en U característica.

Dado que el auge se genera continuamente mientras el avión es supersónico, llena un camino estrecho en el suelo siguiendo el camino de vuelo del avión, un poco como una alfombra roja inrollable, y por lo tanto conocida como la boom alfombra. Su ancho depende de la altitud del avión. La distancia desde el punto en el suelo donde se escucha el auge al avión depende de su altitud y del ángulo α α {displaystyle alpha }.

Para los aviones supersónicos de hoy en día en condiciones normales de operación, la sobrepresión máxima varía de menos de 50 a 500 Pa (1 a 10 psf [libra por pie cuadrado]) para un boom de onda N. Las sobrepresiones máximas para las ondas U se amplifican de dos a cinco veces la onda N, pero esta sobrepresión amplificada afecta solo a un área muy pequeña en comparación con el área expuesta al resto del estampido sónico. El estampido sónico más fuerte jamás registrado fue de 7000 Pa (144 psf) y no causó lesiones a los investigadores que estuvieron expuestos a él. El boom fue producido por un F-4 que volaba justo por encima de la velocidad del sonido a una altitud de 100 pies (30 m). En pruebas recientes, el boom máximo medido durante condiciones de vuelo más realistas fue de 1010 Pa (21 psf). Existe la probabilidad de que algún daño (vidrios rotos, por ejemplo) resulte de un estampido sónico. Los edificios en buenas condiciones no deben sufrir daños por presiones de 530 Pa (11 psf) o menos. Y, por lo general, la exposición de la comunidad al estampido sónico es inferior a 100 Pa (2 psf). El movimiento del suelo resultante del estampido sónico es raro y está muy por debajo de los umbrales de daños estructurales aceptados por la Oficina de Minas de EE. UU. y otras agencias.

La potencia, o volumen, de la onda de choque depende de la cantidad de aire que se acelera y, por lo tanto, del tamaño y la forma del avión. A medida que la aeronave aumenta la velocidad, el cono de choque se vuelve más apretado alrededor de la nave y se vuelve más débil hasta el punto de que a velocidades y altitudes muy altas no se escucha ningún estallido. La "longitud" de la botavara de adelante hacia atrás depende de la longitud de la aeronave a una potencia de 3/2. Los aviones más largos, por lo tanto, "distribuidos" sus auges más que los más pequeños, lo que conduce a un auge menos potente.

Varias ondas de choque más pequeñas pueden formarse y generalmente se forman en otros puntos de la aeronave, principalmente en puntos convexos o curvas, el borde de ataque del ala y especialmente la entrada a los motores. Estas ondas de choque secundarias son causadas por el aire que se ve obligado a girar alrededor de estos puntos convexos, lo que genera una onda de choque en un flujo supersónico.

Las últimas ondas de choque son algo más rápidas que la primera, viajan más rápido y se suman a la onda de choque principal a cierta distancia del avión para crear una forma de onda N mucho más definida. Esto maximiza tanto la magnitud como el "tiempo de subida" del choque que hace que el boom parezca más fuerte. En la mayoría de los diseños de aeronaves, la distancia característica es de unos 40 000 pies (12 000 m), lo que significa que por debajo de esta altitud, el estampido sónico será "más suave". Sin embargo, la resistencia a esta altitud o menos hace que los viajes supersónicos sean particularmente ineficientes, lo que plantea un problema grave.

XB1 Supersonic Aircraft

Un modelo de un avión supersónico hecho por Virgin Galactic golpe Mach 3.

Aviones supersónicos

Los aviones supersónicos son cualquier avión que pueda lograr un vuelo más rápido que Mach 1, que es supersónico. "Supersónico incluye velocidades de hasta cinco veces Mach que la velocidad del sonido, o Mach 5." (Dunbar, 2015) El kilometraje máximo por hora para un avión supersónico normalmente oscila entre 700 y 1500 millas por hora (1100 a 2400 km/h). Por lo general, la mayoría de los aviones no superan las 1500 mph (2414 km/h). Hay muchas variaciones de aviones supersónicos. Algunos modelos de un avión supersónico hacen uso de una aerodinámica mejor diseñada que permite algunos sacrificios en la aerodinámica del modelo por la potencia del propulsor. Otros modelos utilizan la eficiencia y la potencia del propulsor para permitir que un modelo menos aerodinámico alcance mayores velocidades. El modelo típico que se encuentra en el uso militar de los Estados Unidos oscila entre un promedio de $ 13 millones a $ 35 millones de dólares estadounidenses.

Medidas y ejemplos

La presión de los estampidos sónicos causados por los aviones suele ser de unas pocas libras por pie cuadrado. Un vehículo que vuela a mayor altitud generará presiones más bajas sobre el suelo, porque la onda de choque reduce su intensidad a medida que se aleja del vehículo, pero los estampidos sónicos se ven menos afectados por la velocidad del vehículo.

Reducción

Se está realizando una nueva investigación en el Centro de Investigación Glenn de la NASA que podría ayudar a aliviar el auge sonoro producido por aviones supersónicos. Los exámenes se completaron en 2010 de un modelo de entrada supersónico de bajo nivel de gran escala con control de flujo de microarray. Un ingeniero aeroespacial de la NASA está representado aquí en un túnel de viento con el modelo de entrada supersónica de bajo nivel de gran escala.

A fines de la década de 1950, cuando los diseños de transporte supersónico (SST) se buscaban activamente, se pensó que aunque el auge sería muy grande, los problemas podrían evitarse volando más alto. Se demostró que esta suposición era falsa cuando el North American XB-70 Valkyrie voló por primera vez y se descubrió que la barrera era un problema incluso a 70 000 pies (21 000 m). Fue durante estas pruebas que la onda N se caracterizó por primera vez.

Richard Seebass y su colega Albert George de la Universidad de Cornell estudiaron el problema en profundidad y finalmente definieron una "cifra de mérito" (FM) para caracterizar los niveles de estampido sónico de diferentes aeronaves. FM es una función del peso del avión y la longitud del avión. Cuanto más bajo es este valor, menos boom genera la aeronave, considerándose aceptables cifras de alrededor de 1 o menos. Usando este cálculo, encontraron FM de alrededor de 1,4 para el Concorde y 1,9 para el Boeing 2707. Esto finalmente condenó a la mayoría de los proyectos SST, ya que el resentimiento público, mezclado con la política, finalmente resultó en leyes que hicieron que cualquier avión de este tipo fuera menos útil (volando supersónicamente solo sobre el agua). por ejemplo). Los diseños de aviones pequeños, como los jets de negocios, son los preferidos y tienden a producir estruendos mínimos o inaudibles.

Seebass y George también trabajaron en el problema desde un ángulo diferente, tratando de extender la onda N lateral y temporalmente (longitudinalmente), produciendo una fuerte y enfocada hacia abajo (SR-71 Blackbird, Boeing X-43) choque en un cono de morro agudo, pero de ángulo amplio, que viajará a una velocidad ligeramente supersónica (choque de proa), y usando un ala voladora inclinada hacia atrás o un ala voladora oblicua para suavizar este choque a lo largo de la dirección del vuelo (la cola del el choque viaja a la velocidad del sonido). Para adaptar este principio a los aviones existentes, que generan un choque en su cono de morro y uno aún más fuerte en el borde de ataque del ala, el fuselaje debajo del ala se forma de acuerdo con la regla del área. Idealmente, esto elevaría la altitud característica de 40 000 pies (12 000 m) a 60 000 pies (de 12 000 ma 18 000 m), que es donde se esperaba que volara la mayoría de los aviones SST.

NASA F-5E modificado para las pruebas de boom sónico DARPA

Esto no se probó durante décadas, hasta que DARPA inició el proyecto Quiet Supersonic Platform y financió el avión Shaped Sonic Boom Demonstration (SSBD) para probarlo. SSBD usó un F-5 Freedom Fighter. El F-5E se modificó con una forma muy refinada que alargó el morro al del modelo F-5F. El carenado se extendía desde el morro hasta las entradas en la parte inferior del avión. El SSBD se probó durante un período de dos años que culminó en 21 vuelos y fue un estudio extenso sobre las características del estampido sónico. Después de medir las 1.300 grabaciones, algunas tomadas dentro de la onda de choque por un avión de persecución, el SSBD demostró una reducción en el boom de aproximadamente un tercio. Aunque un tercio no es una gran reducción, podría haber reducido el auge del Concorde a un nivel aceptable por debajo de FM = 1.

Como continuación de SSBD, en 2006, un equipo aeroespacial de la NASA y Gulfstream probó el Quiet Spike en el avión F-15B 836 de la NASA-Dryden. El Quiet Spike es una pluma telescópica instalada en el morro de un aeronave diseñada específicamente para debilitar la fuerza de las ondas de choque que se forman en la nariz de la aeronave a velocidades supersónicas. Se realizaron más de 50 vuelos de prueba. Varios vuelos incluyeron el sondeo de las ondas de choque por un segundo F-15B, el banco de pruebas del Sistema de Control de Vuelo Inteligente de la NASA, el avión 837.

Hay diseños teóricos que no parecen crear explosiones sónicas en absoluto, como el biplano Busemann. Sin embargo, la creación de una onda de choque es inevitable si generan sustentación aerodinámica.

La NASA y Lockheed Martin Aeronautics Co. están trabajando juntos para construir un avión experimental llamado Low Boom Flight Demonstrator (LBFD), que reducirá el estampido sónico sinónimo de vuelo de alta velocidad al sonido de la puerta de un automóvil al cerrarse. La agencia otorgó un contrato de $247,5 millones para construir una versión de trabajo del elegante avión de un solo piloto para el verano de 2021 y debería comenzar a realizar pruebas en los próximos años para determinar si el diseño podría eventualmente adaptarse a aviones comerciales.

Percepción, ruido y otras preocupaciones

Una fuente de puntos que emite frentes esféricos mientras aumenta su velocidad linealmente con el tiempo. Para tiempos cortos el efecto Doppler es visible. Cuando v=c, el boom sonoro es visible. Cuando v■c, el cono Mach es visible.

El sonido de un estampido sónico depende en gran medida de la distancia entre el observador y la forma del avión que produce el estampido sónico. Un estampido sónico generalmente se escucha como un 'boom' doble profundo. ya que el avión suele estar a cierta distancia. El sonido es muy parecido al de las bombas de mortero, comúnmente utilizadas en los espectáculos de fuegos artificiales. Es un error común pensar que solo se genera un boom durante la transición subsónica a supersónica; más bien, el boom es continuo a lo largo de la alfombra del boom durante todo el vuelo supersónico. Como dice un ex piloto de Concorde: "En realidad, no se escucha nada a bordo". Todo lo que vemos es la onda de presión moviéndose hacia abajo del avión; da una indicación en los instrumentos. Y eso es lo que vemos alrededor de Mach 1. Pero no escuchamos el estampido sónico ni nada por el estilo. Es como la estela de un barco: está detrás de nosotros."

En 1964, la NASA y la Administración Federal de Aviación comenzaron las pruebas de estampido sónico en la ciudad de Oklahoma, que provocaron ocho estampidos sónicos por día durante un período de seis meses. Se recopilaron datos valiosos del experimento, pero se generaron 15 000 quejas y finalmente enredaron al gobierno en una demanda colectiva, que perdió en apelación en 1969.

Los estampidos sónicos también fueron una molestia en North Cornwall y North Devon en el Reino Unido, ya que estas áreas estaban debajo de la ruta de vuelo del Concorde. Las ventanas traqueteaban y, en algunos casos, el "incendio" (señalando debajo de las tejas del techo) se desprenderían con la vibración.

Ha habido trabajos recientes en esta área, especialmente en el marco de los estudios Quiet Supersonic Platform de DARPA. La investigación realizada por expertos en acústica bajo este programa comenzó a observar más de cerca la composición de los estampidos sónicos, incluido el contenido de frecuencia. Varias características del boom sónico tradicional "N" La onda puede influir en qué tan fuerte e irritante puede ser percibida por los oyentes en el suelo. Incluso las ondas N fuertes, como las generadas por Concorde o aviones militares, pueden ser mucho menos objetables si el tiempo de subida de la sobrepresión es lo suficientemente largo. Ha surgido una nueva métrica, conocida como sonoridad percibida, medida en PLdB. Esto tiene en cuenta el contenido de frecuencia, el tiempo de subida, etc. Un ejemplo bien conocido es el chasquido de los dedos en el que el "percibido" el sonido no es más que una molestia.

El rango de energía del estampido sónico se concentra en el rango de frecuencia de 0,1 a 100 hercios, que es considerablemente inferior al de los aviones subsónicos, los disparos y la mayoría del ruido industrial. La duración del boom sónico es breve; menos de un segundo, 100 milisegundos (0,1 segundo) para la mayoría de los aviones de combate y 500 milisegundos para el transbordador espacial o el avión Concorde. La intensidad y el ancho de la trayectoria de un estampido sónico dependen de las características físicas de la aeronave y de cómo se opera. En general, cuanto mayor es la altitud de un avión, menor es la sobrepresión en tierra. Una mayor altitud también aumenta la extensión lateral de la barrera, exponiendo un área más amplia a la barrera. Sin embargo, las sobrepresiones en el área de impacto del estampido sónico no serán uniformes. La intensidad del boom es mayor directamente debajo de la trayectoria de vuelo, debilitándose progresivamente con una mayor distancia horizontal lejos de la trayectoria de vuelo de la aeronave. El ancho del terreno del área de exposición de la barrera es de aproximadamente 1 milla terrestre (1,6 km) por cada 1000 pies (300 m) de altitud (el ancho es aproximadamente cinco veces la altitud); es decir, un avión que vuela supersónico a 30 000 pies (9100 m) creará una expansión lateral de la barrera de unas 30 millas (48 km). Para un vuelo supersónico constante, el boom se describe como un boom de alfombra, ya que se mueve con la aeronave mientras mantiene la velocidad y la altitud supersónicas. Algunas maniobras, zambullidas, aceleraciones o giros, pueden hacer que la botavara se enfoque. Otras maniobras, como la desaceleración y el ascenso, pueden reducir la fuerza del impacto. En algunos casos, las condiciones climáticas pueden distorsionar los estampidos sónicos.

Según la altitud de la aeronave, los estampidos sónicos llegan al suelo de 2 a 60 segundos después del sobrevuelo. Sin embargo, no todos los booms se escuchan a nivel del suelo. La velocidad del sonido a cualquier altitud es una función de la temperatura del aire. Una disminución o aumento de la temperatura da como resultado una disminución o aumento correspondiente de la velocidad del sonido. En condiciones atmosféricas estándar, la temperatura del aire disminuye con el aumento de la altitud. Por ejemplo, cuando la temperatura a nivel del mar es de 59 grados Fahrenheit (15 °C), la temperatura a 30 000 pies (9100 m) cae a menos 49 grados Fahrenheit (−45 °C). Este gradiente de temperatura ayuda a doblar las ondas de sonido hacia arriba. Por lo tanto, para que una barrera alcance el suelo, la velocidad del avión en relación con el suelo debe ser mayor que la velocidad del sonido en el suelo. Por ejemplo, la velocidad del sonido a 9100 m (30 000 pies) es de aproximadamente 1080 km/h (670 millas por hora), pero un avión debe viajar al menos a 1210 km/h (750 millas por hora) (Mach 1,12) para un boom para ser escuchado en el suelo.

La composición de la atmósfera también es un factor. Las variaciones de temperatura, la humedad, la contaminación atmosférica y los vientos pueden tener un efecto sobre cómo se percibe un estampido sónico en el suelo. Incluso el propio suelo puede influir en el sonido de un estampido sónico. Las superficies duras como el concreto, el pavimento y los edificios grandes pueden causar reflejos que pueden amplificar el sonido de un estampido sónico. Del mismo modo, los campos de hierba y el abundante follaje pueden ayudar a atenuar la fuerza de la sobrepresión de un estampido sónico.

Actualmente, no existen estándares aceptados por la industria para la aceptabilidad de un estampido sónico. Sin embargo, se está trabajando para crear métricas que ayudarán a comprender cómo los humanos responden al ruido generado por los estampidos sónicos. Hasta que se puedan establecer dichas métricas, ya sea mediante estudios adicionales o pruebas de sobrevuelo supersónico, es dudoso que se promulgue legislación para eliminar la prohibición actual de sobrevuelo supersónico vigente en varios países, incluido Estados Unidos.

Látigo

Un bullwhip australiano

El crujido que hace un látigo cuando se empuña correctamente es, de hecho, un pequeño estampido sónico. El extremo del látigo, conocido como "cracker", se mueve más rápido que la velocidad del sonido, creando así un estampido sónico.

Un látigo se estrecha hacia abajo desde la sección del mango hasta la galleta. La galleta tiene mucha menos masa que la sección del mango. Cuando el látigo se balancea bruscamente, el impulso se transfiere a lo largo del látigo que se estrecha, y la masa decreciente se compensa con el aumento de la velocidad. Goriely y McMillen demostraron que la explicación física es compleja e involucra la forma en que un bucle viaja por un filamento cónico bajo tensión.