Un boom sónico es un sonido asociado con ondas de choque que se crean cuando un objeto viaja por el aire más rápido que la velocidad del sonido . Los estallidos sónicos generan enormes cantidades de energía sonora , que suena similar a una explosión o un trueno en el oído humano. El chasquido de una bala supersónica que pasa por encima o el chasquido de un látigo son ejemplos de un boom sónico en miniatura. [2]
Los estallidos sónicos debidos a grandes aviones supersónicos pueden ser particularmente fuertes y alarmantes, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras. Condujeron a la prohibición de vuelos supersónicos rutinarios sobre tierra. Aunque no se pueden prevenir por completo, la investigación sugiere que con una configuración cuidadosa del vehículo, las molestias debidas a las explosiones sónicas pueden reducirse hasta el punto de que el vuelo supersónico por tierra puede convertirse en una opción factible. [3] [4]
Un boom sónico no ocurre solo en el momento en que un objeto cruza la velocidad del sonido; y tampoco se escucha en todas las direcciones que emana del objeto supersónico. Más bien, el auge es un efecto continuo que se produce mientras el objeto se desplaza a velocidades supersónicas. Pero solo afecta a los observadores que están posicionados en un punto que se cruza con 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, experimentan 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 se comprimen porque no pueden apartarse entre sí 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 1.235 km / h (767 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 de la aeronave son equivalentes (dada la condición de "vuelo suave"), la onda de choque forma un cono de Mach , similar a un cono de vapor , con la aeronave en su punta. El medio ángulo entre la dirección de vuelo y la onda de choque viene dada por:
- ,
dónde es la inversa del número de Mach del avión (). Por lo tanto, cuanto más rápido viaja el avión, más fino y puntiagudo es el cono.
Hay un aumento de la presión en la nariz, que disminuye de manera constante a una presión negativa en la cola, seguida de un retorno 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 de presión; por lo tanto, una onda N causa dos auges: uno cuando el aumento de presión inicial alcanza a un observador y otro cuando la presión vuelve a la normalidad. Esto conduce a un distintivo "doble boom" de un avión supersónico. Cuando la aeronave está maniobrando, la distribución de la presión cambia a diferentes formas, con una característica forma de onda U.
Dado que el boom se genera continuamente mientras el avión sea supersónico, llena un camino estrecho en el suelo siguiendo la trayectoria de vuelo del avión, un poco como una alfombra roja que se desenrolla y, por lo tanto, se conoce como la alfombra del boom . Su ancho depende de la altitud de la aeronave. La distancia desde el punto en el suelo donde se escucha el boom hasta la aeronave depende de su altitud y el ángulo.
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 una barrera de onda N. Las sobrepresiones máximas de 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 boom sónico. El boom sónico más fuerte jamás registrado fue de 7.000 Pa (144 psf) y no causó daños 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 30 m (100 pies). [5] En pruebas recientes, el brazo máximo medido durante condiciones de vuelo más realistas fue de 1.010 Pa (21 psf). Existe la posibilidad de que algún daño, como un vidrio roto, por ejemplo, resulte de un boom 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 boom sónico es inferior a 100 Pa (2 psf). El movimiento del suelo resultante de la explosión sónica es raro y está muy por debajo de los umbrales de daño estructural aceptados por la Oficina de Minas de los EE . [6]
La potencia, o el volumen, de la onda de choque depende de la cantidad de aire que se acelera y, por tanto, del tamaño y la forma de la aeronave. A medida que la aeronave aumenta la velocidad, el cono de impacto se vuelve más estrecho alrededor de la nave y se debilita hasta el punto de que a velocidades y altitudes muy altas no se oye ningún boom. La "longitud" de la pluma de adelante hacia atrás depende de la longitud de la aeronave a una potencia de 3/2. Por lo tanto, los aviones más largos "extienden" sus brazos más que los más pequeños, lo que conduce a un boom menos potente. [7]
Varias ondas de choque más pequeñas pueden formarse y generalmente se forman en otros puntos de la aeronave, principalmente en cualquier punto convexo o curva, el borde del ala de ataque 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 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 de la aeronave para crear una forma de onda N mucho más definida. Esto maximiza tanto la magnitud como el "tiempo de subida" del impacto, lo que hace que el auge parezca más fuerte. En la mayoría de los diseños de aviones, la distancia característica es de unos 40.000 pies (12.000 m), lo que significa que por debajo de esta altitud el boom sónico será "más suave". Sin embargo, la resistencia a esta altitud o menos hace que los viajes supersónicos sean particularmente ineficaces, lo que plantea un problema grave.
Medida y ejemplos
La presión de las explosiones sónicas causadas por los aviones a menudo es de unas pocas libras por pie cuadrado. Un vehículo que vuela a mayor altitud generará presiones más bajas en el suelo, porque la onda de choque se reduce en intensidad a medida que se aleja del vehículo, pero las explosiones sónicas se ven menos afectadas por la velocidad del vehículo.
Aeronave | Velocidad | Altitud | Presión (lbf / ft 2 ) | Presión (Pa) |
---|---|---|---|---|
SR-71 Blackbird | Mach 3+ | 80.000 pies (24.000 m) | 0,9 | 43 |
Concorde (SST) | Mach 2 | 52.000 pies (16.000 m) | 1,94 | 93 |
Caza estelar F-104 | Mach 1,93 | 48.000 pies (15.000 m) | 0,8 | 38 |
Transbordador espacial | Mach 1.5 | 60.000 pies (18.000 m) | 1,25 | 60 |
Ref: [8] |
Disminución
A finales de la década de 1950, cuando se perseguían activamente los diseños de transporte supersónico (SST), se pensaba que aunque el auge sería muy grande, los problemas podrían evitarse volando más alto. Se demostró que esta suposición era falsa cuando la norteamericana 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 cuando se caracterizó por primera vez la onda N.
Richard Seebass y su colega Albert George en la Universidad de Cornell estudiaron el problema extensamente y finalmente definieron una " figura de mérito " (FM) para caracterizar los niveles de explosión sónica de diferentes aviones. FM es una función del peso y la longitud de la aeronave. Cuanto menor sea este valor, menor auge genera la aeronave, considerándose aceptables cifras de aproximadamente 1 o menos. Usando este cálculo, encontraron FM de aproximadamente 1.4 para el Concorde y 1.9 para el Boeing 2707 . Esto eventualmente condenó a la mayoría de los proyectos de SST ya que el resentimiento público, mezclado con la política, eventualmente resultó en leyes que hicieron que cualquier avión de ese tipo fuera menos útil (volar supersónicamente solo sobre el agua, por ejemplo). Se prefieren los diseños de aviones pequeños como los jets de negocios y tienden a producir auges mínimos o nulos. [7]
Seebass y George también trabajaron en el problema desde un ángulo diferente, tratando de extender la onda N lateral y temporalmente (longitudinalmente), produciendo un choque fuerte y enfocado hacia abajo ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) en un Un cono de nariz afilado pero de gran angular, que se desplazará a una velocidad ligeramente supersónica ( choque de arco ), y usará un ala voladora inclinada hacia atrás o un ala voladora oblicua para suavizar este choque a lo largo de la dirección de vuelo (la cola del choque se desplaza a velocidad sónica). Para adaptar este principio a los aviones existentes, que generan un impacto en el cono de la nariz y uno aún más fuerte en el borde de ataque de su ala, el fuselaje debajo del ala se forma según 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 espera que vuelen la mayoría de los aviones SST. [7]
Esto permaneció sin probar durante décadas, hasta que DARPA comenzó 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 la nariz a la del modelo F-5F. El carenado se extendía desde la nariz 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 boom sónico. Después de medir las 1300 grabaciones, algunas tomadas dentro de la onda de choque por un avión de persecución , el SSBD demostró una reducción en el boom en aproximadamente un tercio. Aunque un tercio no es una gran reducción, podría haber reducido el boom 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 NASA-Dryden. El Quiet Spike es un brazo telescópico instalado en la nariz de un avión diseñado específicamente para debilitar la fuerza. de las ondas de choque que se forman en la nariz del avión 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 ineludible si generan sustentación aerodinámica. [7]
La NASA y Lockheed Martin Aeronautics Co. están trabajando juntas para construir un avión experimental llamado Low Boom Flight Demonstrator (LBFD), que reducirá el boom sónico sinónimo de vuelo de alta velocidad al sonido de la puerta de un automóvil al cerrarse. La agencia ha adjudicado un contrato de 247,5 millones de dólares para construir una versión funcional 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. [9]
Percepción, ruido y otras preocupaciones
El sonido de un boom sónico depende en gran medida de la distancia entre el observador y la forma de la aeronave que produce el boom sónico. Un boom sónico se suele escuchar como un doble "boom" profundo, ya que el avión suele estar a cierta distancia. El sonido es muy parecido al de las bombas de mortero , comúnmente utilizadas en exhibiciones 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 oye nada a bordo. Todo lo que vemos es la onda de presión que se mueve hacia abajo del avión, da una indicación en los instrumentos. Y eso es lo que vemos alrededor de Mach 1. Pero nosotros no escuches el boom sónico ni nada por el estilo. Es como la estela de un barco, está detrás de nosotros ". [10]
En 1964, la NASA y la Administración Federal de Aviación comenzaron las pruebas de explosión sónica de la ciudad de Oklahoma , que provocaron ocho explosiones sónicas por día durante un período de seis meses. Valiosos datos se recopilaron a partir del experimento, pero se han generado 15.000 quejas y en última instancia el gobierno enredan en una acción de clase demanda, que se perdió en la apelación en 1969.
Los auges 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 traquetearían y, en algunos casos, la "llamarada" (que apuntaba debajo de las pizarras del techo) se soltaría con la vibración.
Ha habido un trabajo reciente en esta área, especialmente en los estudios de la Plataforma Supersónica Quiet de DARPA. La investigación realizada por expertos en acústica en el marco de este programa comenzó a observar más de cerca la composición de las explosiones sónicas, incluido el contenido de frecuencia. Varias características de la onda "N" del boom sónico tradicional pueden influir en lo fuerte e irritante que 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 aumento 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 muy conocido es el chasquido de los dedos en el que el sonido "percibido" no es más que una molestia.
El rango de energía del boom 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 segundos) para la mayoría de los aviones de combate y 500 milisegundos para el transbordador espacial o el avión de pasajeros Concorde. La intensidad y el ancho de la trayectoria de una explosión sónica 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 el suelo. Una mayor altitud también aumenta la extensión lateral de la pluma, exponiendo un área más amplia a la pluma. Sin embargo, las sobrepresiones en el área de impacto del boom sónico no serán uniformes. La intensidad de la pluma es mayor directamente debajo de la trayectoria de vuelo, debilitándose progresivamente con una mayor distancia horizontal de la trayectoria de vuelo de la aeronave. El ancho del suelo 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 (9.100 m) creará una extensión lateral de la pluma de aproximadamente 30 millas (48 km). Para un vuelo supersónico constante, el brazo se describe como un brazo 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 pluma se enfoque. Otras maniobras, como la desaceleración y la escalada, pueden reducir la fuerza del impacto. En algunos casos, las condiciones climáticas pueden distorsionar las explosiones sónicas. [6]
Dependiendo de la altitud de la aeronave, las explosiones sónicas llegan al suelo de 2 a 60 segundos después del sobrevuelo. Sin embargo, no todos los auges se escuchan a nivel del suelo. La velocidad del sonido a cualquier altitud es función de la temperatura del aire. Una disminución o aumento de temperatura da como resultado una disminución o aumento correspondiente en la velocidad del sonido. En condiciones atmosféricas estándar, la temperatura del aire disminuye al aumentar la altitud. Por ejemplo, cuando la temperatura al nivel del mar es de 59 grados Fahrenheit (15 ° C), la temperatura a 30,000 pies (9,100 m) cae a menos 49 grados Fahrenheit (-45 ° C). Este gradiente de temperatura ayuda a doblar las ondas sonoras hacia arriba. Por lo tanto, para que una pluma llegue al suelo, la velocidad de la aeronave en relación con el suelo debe ser mayor que la velocidad del sonido en el suelo. Por ejemplo, la velocidad del sonido a 30.000 pies (9.100 m) es de aproximadamente 670 millas por hora (1.080 km / h), pero una aeronave debe viajar al menos 750 millas por hora (1.210 km / h) (Mach 1,12, donde Mach 1 es igual a la velocidad del sonido) para que se escuche un boom en el suelo. [6]
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 en cómo se percibe un boom sónico en el suelo. Incluso el suelo mismo puede influir en el sonido de un boom sónico. Las superficies duras como el hormigón , el pavimento y los grandes edificios pueden provocar reflejos que pueden amplificar el sonido de una explosión sónica. Del mismo modo, los campos de hierba y el follaje abundante pueden ayudar a atenuar la fuerza de la sobrepresión de un boom sónico.
Actualmente no existen estándares aceptados por la industria para la aceptabilidad de un boom sónico. Sin embargo, se está trabajando para crear métricas que ayudarán a comprender cómo responden los humanos al ruido generado por las explosiones sónicas. [11] Hasta que se puedan establecer tales métricas, ya sea mediante estudios adicionales o pruebas de sobrevuelos supersónicos, es dudoso que se promulgue legislación para eliminar la prohibición actual sobre sobrevuelos supersónicos vigente en varios países, incluido Estados Unidos.
Látigo
El crujido que hace un látigo cuando se maneja correctamente es, de hecho, un pequeño boom sónico. El extremo del látigo, conocido como "cracker" , se mueve más rápido que la velocidad del sonido, creando así un boom sónico. [2]
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, la energía se transfiere a lo largo del látigo afilado. 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. [12]
Ver también
- Radiación de Cherenkov
- Hipersónico
- Terremoto de supercorte
- Pluma de vibración del suelo
Referencias
- ^ Haering, Edward A., Jr .; Smolka, James W .; Murray, James E .; Plotkin, Kenneth J. (1 de enero de 2005). "Demostración de vuelo de auges sónicos de ondas N de baja sobrepresión y ondas evanescentes" . Actas de la conferencia AIP . 838 : 647–650. Código bibliográfico : 2006AIPC..838..647H . doi : 10.1063 / 1.2210436 . hdl : 2060/20050192479 .
- ^ a b May, Mike (septiembre de 2002). "Crackin 'Good Mathematics". Científico estadounidense . 90 (5): 415–416. JSTOR 27857718 .
- ^ "¿De regreso con un boom? Los aviones supersónicos se preparan para un regreso más tranquilo y ecológico" . Horizon (revista en línea) . Consultado el 6 de mayo de 2021 .
- ^ "Arreglando la barrera del sonido: Tres generaciones de investigación estadounidense sobre la reducción del boom sónico y lo que significa para el futuro" (PDF) . Administración Federal de Aviación . 21 de abril de 2010 . Consultado el 5 de mayo de 2021 .
- ^ Análisis de huellas de auge sónico de aviones militares, Andy S. Rogers, AOT, Inc.
- ^ a b c Hoja informativa 96-03 de la USAF, Laboratorio Armstrong, 1996
- ^ a b c d Seebass, Richard (1998). "Minimización del boom sónico". Investigación de dinámica de fluidos en aeronaves supersónicas (PDF) . Organización de Investigación y Tecnología de la OTAN .
- ^ Hoja de datos del Centro de investigación de vuelo Armstrong de la NASA : Estampidos sónicos
- ^ "La NASA adjudica contrato para construir aviones supersónicos más silenciosos" (Comunicado de prensa). NASA. 3 de abril de 2018 . Consultado el 5 de abril de 2018 .
- ^ Entrevista de BBC News con ex piloto de Concorde (2003) .
- ^ Loubeau, Alexandra; Naka, Yusuke; Cook, Brian G .; Gorrión, Victor W .; Morgenstern, John M. (28 de octubre de 2015). "Una nueva evaluación de las métricas de ruido para explosiones sónicas utilizando datos existentes". Actas de la conferencia AIP . 1685 (1): 090015. Código Bibliográfico : 2015AIPC.1685i0015L . doi : 10.1063 / 1.4934481 . ISSN 0094-243X .
- ^ Alain Goriely y Tyler McMillen (2002). "Forma de un látigo crujiente" (PDF) . Cartas de revisión física . 88 (12): 244301. Código Bibliográfico : 2002PhRvL..88x4301G . doi : 10.1103 / physrevlett.88.244301 . PMID 12059302 .
enlaces externos
- "Grabación de audio de SR-71 Blackbird Sonic Booms - YouTube" . Consultado el 12 de febrero de 2015 .
- Perfil del Boston Globe del jet supersónico S-521 planeado por Spike Aerospace