> Звуковой удар
Причины и условия формирования звукового удара . Узнайте, как появляется эффект звукового удара, роль ударной волны, эффект Доплера, число Маха, примеры.
Звуковой удар – звук, основанный на ударных волнах, созданных перемещающимся по воздуху объектом, чья скорость превосходит звуковую.
Задача обучения
- Выявить условия, приводящие к формированию звукового удара.
Основные пункты
- Звуковой удар возникает, когда источник проносится мимо наблюдателя со скоростью, приближенной или превосходящей звуковую.
- Такие удары генерируют огромное количество энергии и напоминают взрывы.
- Созданный звуковым ударом полуугольник конуса можно вывести из обратного синуса числа Маха.
Термины
- Звуковая волна – звуковой эффект, созданный летательным аппаратом, перемещающимся быстрее звуковой скорости.
- Число Маха – соотношение скорости тела к звуку пространства.
- Эффект Доплера – видимое изменение волновой частоты при перемещении наблюдателя и источника относительно друг друга.
Звуковые удары
Звуковой удар – звук, основанный на ударных волнах, сформированных перемещающимся по воздуху объектом, чья скорость превосходит звуковую. Его можно рассматривать как эффект Доплера на стероидах. В таких событиях генерируется масштабный энергетический запас, напоминающий взрыв.
Звуковой источник пробился сквозь барьер звуковой скорости и перемещается с показателем, в 1.4 раза превышающим звуковой. Источник опережает звуковые волны, поэтому двигает волновой фронт. Он пролетит мимо наблюдателя до того, как тот услышит звук
Когда звуковой источник проносится сквозь воздух, то формирует ряд волн давления. Они перемещаются со звуковой скоростью. Если скоростной показатель источника растет, то им не удастся оторваться друг от друга. В результате, они сливаются в единую ударную волну, перемещающуюся на скорости звука. Такие критические показатели именуют числом Маха, а ударные волны создают конус Маха. Полуугольник α можно найти через уравнение:
Звуковая волна, сформированная воздушным судном, перемещающимся на М = 2.92. Рассчитана по углу конуса в 20 градусов. Наблюдатель услышит удар, когда ударная волна по краям конуса промчится мимо его положения
Из ранних статей мы уже знаем, что отображает число Маха для звукового источника. В передней части заметно резкое превышение давления, а в конце оно также внезапно падает. Этот профиль именуют N-волной. Есть также большой удар, когда давление меняется непредсказуемо, и двойной удар, если перемены в давлении произошли дважды.
Оптические каустики производят миражи; „Миражи" производят звуковые удары (хлопки); звуковые удары производят ударные каустики, или сверхудары.
Мы вынуждены из-за недостатка места опустить приложения теории катастроф к изучению образования ударных волн, и это жаль, так как их история объясняет название катастрофа Римана - Гюгонио для сборки Уитни (Том ); более короткое название fronce (сборка), как и queue d’aronde (ласточкин хвост), идет от Бернара Морэна. Кроме того, строгая теория (см. Гукенхаймер и Голубицкий ) развита пока лишь для уравнений более простых, чем встречающиеся в реальной физике, хотя присутствие геометрии катастроф в реальных проблемах прекрасно видно из рис. 12.34. Все же мы можем продемонстрировать здесь пригодность теории катастроф для объяснения процесса прохождения ударных волн на большом расстоянии от их источника. Мы начинаем с чрезвычайно упрощенного описания причин возникновения звуковых ударов, а потом уже перейдем к изучению их геометрии.
В каждый момент самолет производит массу возмущений воздушной среды (шум двигателя, отбрасывание воздуха в стороны и пр.), которые распространяются радиально от места возмущения. При малых скоростях самолета они распространяются вперед так же, как и назад (рис. 12.35(a)), - самолет не поспевает за ними. На
Рис. 12.34. Огибающая, дающая конус Маха, в плоскости для крыла, вид которого в плане задается уравнением (Дейвис 187]).
сверхзвуковых скоростях он обгоняет их (рис. 12.35(b)), и получающаяся огибающая образует ударную волну. Вблизи самолета всё много сложнее, чем показано на рисунке, имеются отдельные ударные волны от носа и хвоста и т. п., но на больших расстояниях такие эффекты роли не играют.
Мы не будем заниматься здесь рассмотрением ударной волны как огибающей, а вместо этого будем трактовать ее как волновой фронт и применим для изучения этого фронта геометрическую акустику. В большинстве оптических проблем идея волнового фронта не слишком полезна, являясь приближением, эквивалентным геометрической оптике и менее информативным вблизи устойчивых каустик. Никакая вспышка света не будет настолько короткой, чтобы служить аппроксимацией волнового фронта, но для звукового удара это возможно. Он имеет сложную тонкую структуру, но его распространение в атмосфере может быть подсчитано - и обычно так и делается - по аналогии с геометрической оптикой.
Рисунок 12.35(b) демонстрирует форму ударной волны в однородной спокойной атмосфере; это - совершенный конус. Но вне стен лаборатории воздух не однороден; он теплее у земли, и потому скорость звука там выше. Значит, нижняя часть волнового фронта движется быстрее верхней, и поэтому она загибается вперед и, возможно, вверх (подобно свету, который ускоряется в горячем воздухе вблизи земли, как на рис. 12.32). В результате, если самолет находится на достаточной высоте и движется со скоростью, не превышающей примерно 1.3 М, то звуковой удар от него вообще может не дойти до земли. На рис. 12.36 изображена относящаяся сюда геометрическая акустика: „ударные лучи, испускаемые самолетом" в каждый момент (под прямым углом к начальному коническому волновому фронту), загибаются кверху, как только что было описано, и образуют горизонтальную каустику складки. Мы нарисовали более жирными уже пройденные части лучей, а самая жирная линия изображает результирующую форму ударной волны в какой-то определенный момент времени.
К сожалению, эту каустику не всегда возможно удержать над землей (при выполнении пилотами гражданской и военной авиации текущих заданий), и тогда приобретает особую важность то свойство каустик, благодаря которому они получили свое название, - высокая интенсивность энергии.
Как и в оптике, интенсивность, предсказываемая на основании лучевого подхода, бесконечна, что неправильно. Но правильные предсказания в этом случае делать гораздо сложнее, ввиду того что принцип линейной суперпозиции
Фото 15. Последовательные стадии фокусировки для четырех различных интенсивностей удара; сборка (arete). Слева указаны числа Маха; показана эволюция во времени I. (Стёр-тевант и Калкарни [§§], рис. 17.)
решений, из которого исходят методы быстро осциллирующих интегралов, описанные выше (служащий хорошим приближением и принимаемый в качестве аксиомы в волновой оптике и квантовой механике), оказывается неверным для ударных волн. В оптике функция Эйри для правильных интенсивностей вблизи каустики складки известна с 1838 г., в то время как в соответствующем анализе для звуковых ударных каустик мучились с бесконечностями еще около 1972 г.! Чтобы получить такую картину, как на рис. 12.37 (Ь), описывающую „истинное локальное поведение", нужны поправки, за которыми стоят методы гл. 5 и 6. (На самом деле геометрия ударных волн на некотором расстоянии за сборкой для „слабых" ударов примерно та же, что и предсказываемая геометрической (лучевой) теорией, но для сильных совершенно другая; звуковые удары на достаточном удалении от самолета бывают, однако, обычно „слабыми.")
И саму теорию быстро осциллирующих интегралов не назовешь тривиальной, а требующееся здесь ее обобщение, очевидно, выходит и за рамки квадривия Мы можем лишь отослать более подготовленного читателя к соответствующим теоретическим и экспериментальным работам, например к статьям Обермайера и Стёртеванта и Калкарни . Фото 15, взятое из последней статьи, демонстрирует
Рис. 12.37. Фокусировка слабого удара: (а) согласно геометрической акустике (линейная теория) ; согласно (нелинейной) динамике ударных волн. [Стёртевант и Калкарни .)
геометрическое богатство сборки (называемой там arete); слабые ударные волны развиваются так, как предсказывает лучевая теория (рис. 12.38), но с сильными дело обстоит гораздо сложнее.
Каустики складки могут подходить к земле различными способами; на рис. 12.39 показано, как это происходит при одном редком (но экспериментально вполне осуществимом) маневре самолета. Равномерный поворот производит сходный эффект (рис. 12.40), даже и в однородной атмосфере. Начало поворота дает каустику сборки (рис. 12.41 (а)), точно так же как и пикирование (рис. 12.41(b)).
Благодаря тому что каустики складки имеют по своей природе коразмерность один, с ними легко управиться в эксперименте; с землей они встречаются по линиям, и достаточно плотная цепочка микрофонов заведомо поймает ее одним из них.
Рис. 12.39. Форма ударной волны и ее пересечение с поверхностью земли при прямолинейном равноускоренном движении самолета. Высота полета ускорение (Ваннер, Валле, Вивье и Тери ).
Сборки же дают кривые в трехмерном пространстве, а на уровне земли - лишь отдельные точки (вроде точек С на рис. 12.41 (с), где представлен трехмерный результат маневра, изображенного на рис. 2.41 (Ь)). Поскольку ввиду меняющегося ветра и т. п. предсказать соответствующее положение на земле лучше чем с точностью до нескольких километров тяжело, эксперимент оказывается весьма сложным. (Заполнить с достаточной плотностью несколько квадратных километров микрофонами - дорогое удовольствие. Но так как большие территории, плотно заполненные людьми, - распространенная вещь, высокие интенсивности „сверхударных" каустик сборки изучить очень важно.) Французской рабочей группе, экспериментировавшей с самолетом „Мираж IV“, удалось получить точку сборки удивительно близко от линии микрофонов при проведении серии испытаний, метко названных Jericho-Carton (визитная карточка иерихонской трубы). На рис. 12.42
представлены записи, собранные вдоль этой линии в одном из испытаний; ясно видна форма ласточкина хвоста, равно как и более тонкая структура, например более высокая интенсивность в точках каустики складки (сборки на волновом фронте). Интересно отметить, что там, где два листа пересекаются, они складываются более или менее линейно, там же, где они интерферируют на каустике, получается более сложная картина и более высокая интенсивность.
Всё что сейчас описывалось, было проделано без всякой теории катастроф; мы лишь интерпретировали это в ее терминах. Все же роль, которую теория катастроф могла бы здесь играть, видна из такой цитаты (типичной для этой области) из статьи Стёртеванта и Калкарни .)
Строго говоря, нас интересует не геометрия каустик сама по себе, а то, как волновые фронты проходят через них; это несколько более тонкая задача, так как
Рис. 12.44. (см. скан) Структура завихрений вблизи земли, показанная с помощью изотол: (Ламли и Панофски 192]).
существуют неустойчивые пути прохождения устойчивой каустики. Арнольд в классифицирует типичные, устойчивые особенности, связанные с перестройками волнового фронта при его распространении, в размерностях, меньших шести, и дает приложение (в рамках довольно простой физической модели, принадлежащей Зельдовичу) к формам галактик. У нас здесь речь идет о размерности 3, и на рис. 12.43 мы приводим типичные картинки прохождения волновых фронтов через ласточкин хвост и эллиптическую и гиперболическую омбилики, а также два устойчивых способа прохождения через линию сборок (ребро возврата). (Первый из них нам уже встречался на рис. 12.41.) В оптике интенсивности для двух последних случаев были бы такие же, как и для обычной сборки, но лишь тщательное исследование сможет показать, будет ли это верно также и для звуковых ударов. Во всех пяти случаях, несомненно, требуется серьезный анализ. Отметим, какова здесь роль теории катастроф: не давая ни на какие вопросы Полного Ответа, она дает (поскольку соображения типичности тут вполне уместны) новую информацию относительно того, какие случаи важны и требуют уточнения новых деталей; при этом у нас есть благодаря ей уверенность, что этих случаев конечное число.
Кстати говоря, к преломлению ударных волн приводят не только глобальные неоднородности в атмосфере (рис.
12.36), но и локальные, а именно турбулентности (рис. 12.44). Геометрически это представляется тесно связанным с проблемой преломления света при прохождении через случайную рябь на поверхности воды, где имеются такие замечательные результаты, как тот, что гиперболическая и эллиптическая омбилики появляются в пропорции 73.2 v 26.8% (Берри и Хэнней ).
Физика явления
Тело, движущееся в воздухе со сверхзвуковой скоростью, генерирует ударную волну. Такая ударная волна называется головной ударной волной. На достаточно большом удалении от обтекаемого тела интенсивность этой ударной волны мала , и она пересекает направление набегающего потока под углом, близким к углу Маха, который рассчитывается по формуле
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файлtexvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \sin \alpha = \frac{1}{M} = \frac{c}{v}
Когда эта слабая ударная волна достигает поверхности земли, скачок давления на её фронте действует на барабанные перепонки и воспринимается как резкий и громкий хлопок. Поскольку интенсивность конической ударной волны при её движении в атмосфере ослабевает, давление звукового удара зависит от высоты и скорости полёта объекта. В обычных условиях звуковой удар может вызывать неприятные ощущения, но, как правило, не причиняет вреда здоровью и не вызывает никаких разрушений.
Чем больше по массе самолёт, чем меньше его высота полёта и чем больше скорость, тем чувствительнее на земле будет его звуковой удар. При проходе Ту-160 на высоте 300-500 метров и скорости около 1500 км/час на земле в строениях будут выбиты все стёкла (даже с рамами), а люди сбиты с ног и контужены. Именно по этой причине в СССР полёт со сверхзвуковой скоростью любого самолёта был запрещён ниже высоты 12 км[[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]][[К:Википедия:Статьи без источников (страна: Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. )]] .
См. также
Напишите отзыв о статье "Звуковой удар"
Примечания
Отрывок, характеризующий Звуковой удар
– Нет, мой друг, я видел его лишь через Магдалину, как сейчас видела ты. Но могу сказать тебе, Изидора, он не может попасть в «тёмные» руки, скольких бы человеческих жертв это бы ни стоило. Иначе не будет более нигде такого названия – Мидгард... Это слишком большая сила. И попади она в руки к Думающим Тёмным, ничто уже не остановит их победного шествия по оставшимся Землям... Знаю, как тяжело понять это сердцем, Изидора. Но иногда мы обязаны мыслить объятно. Обязаны думать за всех приходящих... и проследить за тем, чтобы им наверняка было бы куда приходить...– Где сейчас Ключ Богов? Знает ли это кто-нибудь, Север? – неожиданно серьёзно спросила до сих пор молчавшая, Анна.
– Да, Аннушка, частично – знаю я. Но не могу об этом тебе сказать, к сожалению... В одном я уверен, что придёт тот день, когда люди, наконец, окажутся достойными, и Ключ Богов засверкает вновь на вершине Северной Страны. Только пройдёт до этого ещё не одна долгая сотня лет...
– Но мы ведь скоро погибнем, чего же тебе бояться, Север? – сурово спросила Анна. – Расскажи нам, пожалуйста!
Он посмотрел на неё с удивлением и, чуть подождав, медленно ответил.
– Ты права, милая. Думаю, вы достойны это узнать... После жестокой смерти Золотой Марии, Радан увёз Ключ Богов в Испанию, чтобы передать его в руки Светодару. Он считал, что, даже будучи столь молодым, Светодар сохранит доверенное ему сокровище. Если понадобится, даже ценой своей драгоценной жизни. Намного позже, будучи уже взрослым человеком, уходя на поиски Странника, Светодар забрал с собою дивное сокровище. А после, через шесть десятков долгих и сложных прожитых лет, уже уходя домой, он решил, что надёжнее и правильнее всего будет оставить Ключ Богов там, в Северной Стране, во избежание возможной беды в его родной Окситании. Он не ведал, какие новости ждут его дома. И рисковать Ключом Богов не желал.
– Значит, Ключ Богов всё это время находился в Северной стране? – как бы утверждая услышанное, серьёзно спросила Анна.
– Этого я, к сожалению, не знаю, милая. С тех пор у меня не было более новостей.
– Скажи, разве ты не хотел бы увидеть новое будущее, Север?.. Не хотел бы своими глазами увидеть новую Землю?.. – не утерпела я.
– Не в моём это праве, Изидора. Я уже своё здесь отжил и должен идти Домой. Да и пора уже. Слишком много я видел здесь горя, слишком много было потерь. Но я подожду тебя, мой друг. Как я уже говорил тебе, мой далёкий мир так же является и твоим. Я помогу тебе вернуться домой...
Я стояла потерянной, не понимая происходящего... Не в состоянии понять мою любимую Землю, ни живущих на ней людей. Им дарилось чудесное ЗНАНИЕ, а они вместо того, чтобы его познать, боролись за власть, уничтожали друг друга, и гибли... Гибли тысячами, не успевая прожить свои драгоценные жизни... И отнимая жизни других хороших людей.
– Скажи, Север, ведь Рыцари Храма все не погибли, не правда ли? Иначе, как бы разросся так широко позже их Орден?
– Нет, мой друг, некоторые из них обязаны были остаться живыми, дабы сохранить Орден Храмовиков Радомира. Когда на Окситанию напала церковь, они ушли к друзьям в соседние замки, забрав с собою голову Иоанна и сокровище Тамплиеров, на которое собирались создать настоящую армию, думающую и действующую самостоятельно, независимо от желаний королей и Пап. Они снова надеялись воссоздать мир, о котором мечтал Радомир. Но создать его на этот раз свободным, могущественным и сильным.
Звуковой удар
акустическое явление, возникающее при распространении а атмосфере Земли ударных волн, создаваемых самолётом при полёте со сверхзвуковой скоростью. Область распространения возмущений от летящего со сверхзвуковой скоростью летательного аппарата в атмосфере обычно ограничена поверхностью головной волны от носика фюзеляжа, за которой следуют ударные волны разной интенсивности от другие частей самолёта (от крыла, хвостового оперения, мотогондол и т. д.). Поскольку более интенсивные ударные волны распространяются в атмосфере с большей скоростью, то они догоняют менее интенсивные, сливаясь с ними по мере удаления от летательного аппарата, и в дальней зоне (или на поверхности Земли при полёте на сравнительно больших высотах) в атмосфере остаются только 2 ударные волны: головная и хвостовая с линейным профилем падения давления между ними, что обычно воспринимается как двойной хлопок. Это так называем N-образная волна давления.
З. у. зависит от формы летательного аппарата, его размеров, режима полёта, состояния атмосферы, рельефа местности и т. д. Это явление не поддаётся полному моделированию в лабораторных условиях. Влияние отдельных факторов на З. у. изучается экспериментально при полётах сверхзвуковых самолётов и в аэродинамических трубах. Влияние З. у. на человека и животных изучается на специальных экспериментальных установках, имитирующих З. у. Теоретические методы исследования З. у. основаны главным образом на геометрической акустике, но с учётом нелинейных эффектов. Согласно теории З. у. возмущения, исходящие от самолёта в какой-либо момент времени, распространяются вдоль звуковых (или характеристических) лучей, образующих в пространстве некоторую коническую поверхность (см.
Маха конус). Вследствие неоднородности атмосферы лучи искривляются, так что некоторые из них уходят в верхние слои атмосферы, не достигая поверхности Земли. Благодаря отражению лучей зона слышимости З. у. ограничена в боковом направлении по отношению к трассе полёта. Ширина этой зоны в зависимости от состояния атмосферы и режима полёта самолёта составляет 8-10 высот полёта. Отражением лучей объясняется также отсутствие З. у. на поверхности Земли при полёте самолёта с небольшой сверхзвуковой скоростью. При разгоне, развороте к других манёврах самолета возможно образование каустики, вблизи которой происходит локальное повышение избыточного давления из-за наложения волн давления друг на друга.
Интенсивность З. у. (см.
Интенсивность звука) невелика и имеет порядок 0,1% от атмосферного давления при продолжительности нескольких десятых долей секунды. Однако внезапность, с которой человек воспринимает З. у., может вызывать у него отрицательную реакцию (испуг).
Ударные волны возникают при выстреле, взрыве, электрическом разряде и т.п. Основной особенностью ударной волны является резкий скачок давления на фронте волны. В момент прохождения ударной волны максимум давления в данной точке возникает практически мгновенно за время порядка 10 -10 с. При этом одновременно скачком изменяются плотность и температура среды. Затем давление медленно падает. Мощность ударной волны зависит от силы взрыва. Скорость распространения ударных волн может быть больше скорости звука в данной среде. Если, например, ударная волна увеличивает давление в полтора раза, то при этом температура повышается на 35 0 С и скорость распространения фронта такой волны примерно равна 400 м/с. Стены средней толщины, которые встречаются на пути такой ударной волны будут разрушены.
Мощные взрывы будут сопровождаться ударными волнами, которые создают в максимальной фазе фронта волны давление, в 10 раз превышающее атмосферное. При этом плотность среды увеличивается в 4 раза, температура повышается на 500 0 C, и скорость распространения такой волны близка к 1 км/с. Толщина фронта ударной волны имеет порядок длины свободного пробега молекул (10 -7 - 10 -8 м), поэтому при теоретическом рассмотрении можно считать, что фронт ударной волны представляет собой поверхность взрыва, при переходе через которую параметры газа изменяются скачком.
Ударные волны так же возникают, когда твёрдое тело движется со скоростью, превышающей скорость звука. Перед самолётом, который летит со сверхзвуковой скоростью, образуется ударная волна, которая является основным фактором, определяющим сопротивление движению самолёта. Чтобы это сопротивление ослабить, сверхзвуковым самолётам придают стреловидную форму.
Быстрое сжатие воздуха перед движущимся с большой скоростью предметом приводит к повышению температуры, которая с нарастанием скорости предмета - увеличивается. Когда скорость самолёта достигает скорость звука, температура воздуха достигает 60 0 C. При скорости движения вдвое выше скорости звука, температура повышается на 240 0 C, а при скорости, близкой к тройной скорости звука - становится 800 0 С. Скорости близкие к 10 км/с приводят к плавлению и превращению движущегося тела в газообразное состояние. Падение метеоритов со скоростью в несколько десятков километров в секунду приводит к тому, что уже на высоте 150 - 200 километров, даже в разрежённой атмосфере метеоритные тела заметно нагреваются и светятся. Большинство из них на высотах 100 - 60 километров полностью распадаются.
Шумы.
Наложение большого количества колебаний беспорядочно смешанных одно относительно другого и произвольно изменяющих интенсивность во времени, приводят к сложной форме колебаний. Такие сложные колебания, состоящие из большого числа простых звуков различной тональности, называют шумами. Примерами могут служить шелест листьев в лесу, грохот водопада, шум на улице города. К шумам также можно отнести звуки, выражаемые согласными. Шумы могут отличатся распределением по силе звука, по частоте и продолжительности звучания во времени. Длительное время звучат шумы, создаваемые ветром, падающей воды, морским прибоем. Относительно кратковременны раскаты грома, рокот волн - это низкочастотные шумы. Механические шумы могут вызываться вибрацией твёрдых тел. Возникающие при лопании пузырьков и полостей в жидкости звуки, которые сопровождают процессы кавитации, приводят к кавитационным шумам.
В прикладной акустике изучение шумов проводится в связи с проблемой борьбы с их вредностью, для усовершенствования шумопеленгаторов в гидроакустике, а также для повышения точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации. Продолжительные сильные шумы (порядка 90 дБ и более) оказывают вредное действие на нервную систему человека, шум морского прибоя или леса - успокаивающее.