Акустический удар

Быстрая конденсация водяного пара вследствие звукового удара при переходе на сверхзвуковую скорость создаёт конус из пара (также известный как Эффект Прандтля — Глоерта), который виден невооруженным глазом.

Обозреватель слышит звук удара, когда волна доходит до него.

Конус Маха

Акустический удар — это звук, ассоциируемый с ударными волнами, созданными сверхзвуковым полётом самолёта. Акустический удар создаёт огромное количество звуковой энергии, похожей на взрыв. Звук удара хлыста — наглядный пример акустического удара.

Причины

Когда объект пролетает через воздух, он создает серию P-волн впереди и позади себя, таких же как волны от лодки на воде. Эти волны движутся со скоростью звука, и когда скорость объекта возрастает, волны сталкиваются или сжимаются вместе, сливаясь в одну ударную волну на скорости звука. Эта скорость равна 1 Маху, что примерно соответствует 1225 км/ч на уровне моря при 20 градусах Цельсия. Звуковая волна идёт от носа к хвосту, формирует конус Маха с самолётом на его конце. Половинный угол (между направлением полёта и ударной волной) $\alpha$ представлен в виде $$\sin(\alpha) = \frac{v_{sound}}{v_{object}}$$ где $\frac{v_{object}}{v_{sound}}$ это число Маха. Таким образом, чем быстрее он преодолевает звуковой барьер, тем более заострена форма конуса.

К носу самолёта давление возрастает, уменьшаясь к отрицательным значениям к хвосту, и возвращается к нормальному после прохода объекта. Эта схема известна также как N-волна, из-за формы. Хлопок происходит при внезапной смене давления, поэтому N-волна создаёт «двойной хлопок» от сверхзвукового судна. При маневрировании, распределение давления представлено другой формой — U-волной.

Ввиду того, что хлопок генерируется постоянно, пока судно находится в гиперзвуке, самолёт оставляет за собой стреловидный акустический след. Его ширина зависит от высоты воздушного судна. Расстояние между точкой на земле, где слышен хлопок, до самолёта зависит от высоты и угла между ними. Давление акустического удара составляет до 500 Па для N-волны, для U-волны давление возрастает в 3-5 раз. Сильнейший акустический удар, записанный за всю историю, равен 7,000 Па. Удар был записан самолётом F-4, летящим на высоте 30 метров. В программе разрушители легенд (эпизод 124) был поставлен опыт с F/A-18.

См. также

• Эффект Вавилова — Черенкова
• Тепловое расширение