소닉 붐

소닉 붐은 물체가 음속보다 더 빨리 공기를 통과할 때 발생하는 충격파와 관련된 소리입니다.소닉붐은 엄청난 양의 소리 에너지를 발생시키며, 사람의 귀에 폭발이나 천둥 소리와 비슷하게 들린다.데시벨은 소리의 주요 단위 측정값입니다.천둥소리는 100~120dBA(데시벨 A)의 수준을 만들어 냅니다.(스킬링 & WGN-TV, 2021년)

초음속 총알이 상공을 지나가는 소리나 투우선의 균열은 ^[2]미니어처 소닉 붐의 한 예이다.

대형 초음속 항공기로 인한 소닉 붐은 특히 크고 놀랄 수 있으며, 사람들을 깨우는 경향이 있으며, 일부 구조물에 작은 손상을 입힐 수 있다.이것은 육로에서의 일상적인 초음속 비행의 금지로 이어졌다.비록 그것들이 완전히 예방될 수는 없지만, 연구에 따르면, 신중한 비행기의 형성을 통해, 음파 붐으로 인한 성가신 일이 육로 초음속 비행이 실현 가능한 선택이 ^[3][4]될 정도로 줄어들 수 있다고 한다.

소닉 붐은 물체가 음속의 장벽을 넘을 때 발생하지 않으며 초음속 물체에서 나오는 모든 방향에서 들리지도 않는다.오히려 붐은 물체가 초음속으로 이동하는 동안 발생하는 지속적인 효과이다.그러나 개체 뒤에 있는 기하학적 원뿔 모양의 영역과 교차하는 지점에 위치한 관찰자만 영향을 받습니다.물체가 움직일 때, 이 원뿔 영역도 그 뒤로 이동하며, 원뿔이 관찰자 위를 지나갈 때, 그들은 잠시 "붐"을 경험할 것입니다.

원인들

항공기가 공중을 통과할 때 항공기 앞과 뒤에 일련의 압력파가 형성되는데, 이는 보트가 만들어내는 활과 선미 파도와 유사하다.이러한 파동은 음속으로 이동하고 물체의 속도가 증가함에 따라 파동은 서로 빠르게 빠져나갈 수 없기 때문에 서로 힘을 합치거나 압축됩니다.결국 이들은 단일 충격파로 합쳐져 음속, 즉 마하 1로 알려진 임계 속도로 이동하며 해수면에서는 약 1,235km/h(767mph), 20°C(68°F)가 됩니다.

평탄한 비행에서는 충격파가 비행기의 코에서 시작해서 꼬리 부분에서 끝난다.항공기 이동 방향 주변의 다른 반경 방향은 동일하기 때문에("평활 비행" 조건을 고려할 때") 충격파는 항공기 끝에 있는 증기 원뿔과 유사한 마하 원뿔을 형성한다.비행 방향과 충격파 사이의 $(\displaystyle \alpha)$는 다음과 같습니다.

${\displaystyle \frac{{\text{sin}}_{}}{}}$ （$α$ ） ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle v\frac{{}_{}}{}}$ $v$object { \ $displaystyle$ \ sin ( \ $alpha$ ) =$soundfrac$ { v _ { \ text { sound } { v$_$ { \ text { $object$} $\}$ 、

$여기$서 v ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{{\text{v}}_{}}{}}$object ${\displaystyle {v_{\text{object}}{v_$${\$$text{object}}}$는 비행기의 마하 수(${\displaystyle Mach\frac{{}_{}}{}}$ $number,$ Ma$Big$$}}}{\$$displaystyle$의${\displaystyle \frac{역수}{}}$입니다.따라서, 비행기가 더 빨리 이동할수록, 원뿔은 더 가늘고 더 뾰족해진다.

코에서 압력이 상승하여 꼬리에서 음압으로 꾸준히 감소하다가 물체가 통과한 후 갑자기 정상 압력으로 돌아갑니다.이 "과압 프로파일"은 모양 때문에 N파라고 불립니다."붐"은 압력의 급격한 변화가 있을 때 경험됩니다. 따라서, N파는 두 번의 붐을 일으킵니다. 하나는 최초 압력 상승이 관찰자에 도달했을 때이고 다른 하나는 압력이 정상으로 돌아왔을 때입니다.이는 초음속 항공기 특유의 "더블 붐"으로 이어진다.항공기가 조종할 때, 압력 분포는 특징적인 U파 형태로 다른 형태로 변화합니다.

초음속인 한 붐은 지속적으로 발생하므로, 그것은 항공기의 비행 경로를 따라 지상의 좁은 경로를 채우고, 약간 굴러다니는 레드 카펫과 비슷하며, 따라서 붐 카펫으로 알려져 있다.폭은 항공기의 고도에 따라 달라집니다.$붐$ 소리가 들리는 지면에서 항공기까지의 거리는 고도와 $각도$에 따라 $달라집니다$

오늘날 정상 작동 조건의 초음속 항공기의 경우 N파 붐의 경우 최대 과압은 50~500Pa(1~10psf(평방피트당 파운드)) 미만이다.U파에 대한 피크 과압은 N파의 2배에서 5배 증폭되지만, 이 증폭된 과압은 나머지 음파 붐에 노출되는 영역에 비해 매우 작은 영역에만 영향을 미칩니다.지금까지 기록된 것 중 가장 강력한 소닉 붐은 7,000Pa(144psf)였으며, 그것에 노출된 연구자들에게는 부상을 입히지 않았다.이 붐은 100피트(30미터)^[5]의 고도에서 음속 바로 위를 비행하는 F-4에 의해 만들어졌다.최근 시험에서 보다 현실적인 비행 조건 동안 측정된 최대 붐은 1,010Pa(21psf)였다.유리 파편 등의 파손이 소닉 붐에 의해 발생할 가능성이 있습니다.양호한 상태의 건물은 530Pa(11psf) 이하의 압력에 의한 손상이 없어야 한다.그리고 보통 소닉 붐에 대한 지역사회 피폭은 100Pa(2psf) 미만입니다.소닉붐으로 인한 지반운동은 드물고 미국 광산국과 다른 ^[6]기관들이 수용한 구조적 손상 한계치를 훨씬 밑돌고 있다.

충격파의 힘 또는 부피는 가속되는 공기의 양과 항공기의 크기와 모양에 따라 달라진다.항공기의 속도가 증가함에 따라 충격 원뿔은 비행체 주위로 조여지고 매우 빠른 속도와 고도에서는 붐 소리가 들리지 않을 정도로 약해집니다.전면에서 후면까지의 붐의 "길이"는 3/2의 동력에 대한 항공기 길이에 따라 달라진다.따라서 더 긴 항공기는 작은 항공기에 비해 붐을 더 많이 "확대"하여 덜 강력한 ^[7]붐을 일으킨다.

여러 개의 작은 충격파가 항공기의 다른 지점, 주로 볼록한 지점 또는 곡선, 선행 날개 가장자리, 특히 엔진 흡입구에서 형성될 수 있다.이 2차 충격파는 공기가 볼록한 점 주위를 돌도록 강요되어 초음속 흐름에서 충격파를 생성하기 때문에 발생합니다.

이후의 충격파는 첫 번째 충격파보다 다소 빠르고, 더 빠르게 이동하며, 항공기에서 어느 정도 떨어진 곳에서 주 충격파에 추가되어 훨씬 더 명확한 N파 형태를 생성한다.이것은 충격의 규모와 "상승 시간"을 극대화하여 붐을 크게 보이게 한다.대부분의 항공기 설계에서 특징적인 거리는 약 40,000피트(12,000m)이며, 이는 이 고도 아래에서는 소닉 붐이 "더 부드러워질" 것임을 의미한다.그러나 이 고도 이하의 항력은 초음속 이동을 특히 비효율적으로 만들어 심각한 문제를 일으킨다.

초음속 항공기

초음속 항공기는 초음속인 마하 1보다 빨리 비행할 수 있는 항공기다."Supersonic에는 음속의 최대 5배인 마하 5의 속도가 포함됩니다." (Dunbar, 2015)초음속 항공기의 최고 시속 주행거리는 보통 시속 700~1500마일(시속 1,100~2,400km)이다.일반적으로 대부분의 항공기는 2,414km/h(1,500mph)를 초과하지 않는다.초음속 항공기는 여러 가지 종류가 있다.초음속 항공기의 일부 모델은 추진력을 위해 모델의 공기역학에서 약간의 희생을 허용하는 더 나은 공학적 공기역학을 사용합니다.다른 모델은 추진기의 효율성과 힘을 사용하여 공기역학적 모델이 더 빠른 속도를 달성할 수 있도록 합니다.미국 군용에서 발견되는 전형적인 모델은 평균 1300만 달러에서 3500만 달러까지 다양하다.

측정 및 예시

항공기에 의한 음파 붐의 압력은 종종 평방 피트 당 몇 파운드이다.더 높은 고도에서 비행하는 차량은 충격파가 차량으로부터 확산되면서 강도가 감소하지만 차량 속도에 의해 소닉 붐이 덜 영향을 받기 때문에 지상에서 더 낮은 압력을 발생시킵니다.

항공기	스피드	고도	압력(lbf/ft2)	압력(Pa)
SR-71 블랙버드	마하 3 이상	80,000피트(24,000m)	0.9	43
콩코드(SST)	마하 2	52,000피트(16,000m)	1.94	93
F-104 스타파이터	마하 1.93	48,000 피트 (15,000 m)	0.8	38
우주왕복선	마하 1.5	60,000피트(18,000m)	1.25	60
참조:[8]

경감

초음속 운송(SST) 설계가 활발하게 추진되던 1950년대 후반에는 붐이 매우 클지라도 더 높이 날면 문제를 피할 수 있을 것으로 생각되었다.이 추정은 북미 XB-70 발키리가 처음 비행했을 때 거짓으로 판명되었고, 7만 피트 (2만 1천 미터) 상공에서도 문제가 있는 것으로 밝혀졌다.N파가 최초로 특성화된 것은 이들 테스트에서였다.

Richard Seebass와 코넬 대학의 동료 Albert George는 이 문제를 광범위하게 연구했고, 결국 여러 항공기의 소닉 붐 수준을 특징짓기 위해 "Figure of Merit"(FM)를 정의했습니다.FM은 항공기 무게와 항공기 길이에 대한 함수이다.이 값이 낮을수록 항공기는 붐을 덜 일으키며 약 1 또는 그 이하의 수치는 허용 가능한 것으로 간주된다.이 계산을 사용하여 그들은 콩코드의 경우 약 1.4, 보잉 2707의 경우 약 1.9의 FM을 발견했다.이것은 결국 대부분의 SST 프로젝트들을 실패로 몰고 갔다. 대중의 분노가 정치와 섞여 결국 그러한 항공기를 덜 유용하게 만드는 법(예를 들어 물 위를 초음속으로 비행하는 것)을 낳았다.비즈니스 제트기와 같은 소형 항공기 설계가 선호되며 최소 또는 ^[7]무음 폭음을 발생시키는 경향이 있습니다.

시바스와 조지는 또한 약간 초음속(보우쇼크)으로 이동하는 날카롭지만 광각의 노즈콘(SR-71 블랙버드, 보잉 X-43)으로 N파를 수평과 시간(종방향)으로 확산시키는 등 다른 각도에서 문제를 해결했다.비행 방향을 따라 이 충격을 완화하기 위한 날개 또는 비스듬한 비행 날개(충격의 꼬리 부분이 음속으로 이동)이 원리를 기존 평면에 적용하기 위해 노즈콘에 충격을 주고 날개 앞쪽 가장자리에 충격을 더 강하게 주기 위해 날개 아래 동체를 면적 규칙에 따라 형성한다.이는 대부분의 SST 항공기가 ^[7]비행할 것으로 예상되는 40,000피트(12,000m)에서 60,000피트(12,000m에서 18,000m)로 특성 고도를 높이는 것이 이상적이다.

이것은 DARPA가 Quiet Supersonic Platform 프로젝트를 시작하고 그것을 테스트하기 위해 SSBD(Shaped Sonic Boom Demestion) 항공기에 자금을 대기 전까지 수십 년 동안 검증되지 않았다.SSBD는 F-5 프리덤 전투기를 사용했다.F-5E는 F-5F 기종에 비해 코가 길어지는 매우 정교한 형태로 개조되었다.페어링은 코에서 항공기 하부에 있는 입구까지 연장되었다.SSBD는 2년에 걸쳐 21회의 비행으로 정점에 도달하는 테스트를 거쳤으며 소닉 붐 특성에 대한 광범위한 연구였다.SSBD는 1300여 개의 기록을 측정했고 일부는 추적기로 충격파 안에서 촬영해 3분의 1 정도의 붐 감소 현상을 보였다.1/3이 큰 폭의 감소는 아니지만, 콩코드 붐을 FM = 1보다 낮은 허용 수준으로 감소시킬 수 있었다.

SSBD의 후속으로 2006년 NASA-Gulfstream Aerospace 팀이 NASA-Dryden의 F-15B 항공기 836에서 Quiet Spike를 테스트했습니다.Quiet Spike는 초음속으로 항공기 노즈에 형성되는 충격파의 강도를 약화시키기 위해 특별히 설계된 항공기의 노즈에 장착된 망원경 붐이다.50회 이상의 시험 비행이 실시되었다.몇몇 비행에는 두 번째 F-15B인 NASA의 지능형 비행 제어 시스템인 항공기 837에 의한 충격파 탐사가 포함되었다.

부세만 양면처럼 소닉 붐을 일으키지 않는 것으로 보이는 이론적인 디자인이 있습니다.그러나 공기역학적 ^[7]양력을 발생시킨다면 충격파를 발생시키는 것은 피할 수 없다.

NASA와 록히드 마틴 항공은 고속 비행과 같은 소닉 붐을 자동차 문이 닫히는 소리까지 줄여주는 Low Boom Flight Demulator (LBFD)라고 불리는 실험용 항공기를 만들기 위해 협력하고 있다.이 기관은 2021년 여름까지 이 날렵한 싱글 파일럿 비행기의 작동 버전을 제작하는 2억4750만 달러의 계약을 따냈으며, 이 설계가 결국 상업용 ^[9]항공기에 적용될 수 있을지를 결정하기 위해 다음 해에 걸쳐 테스트를 시작할 것이다.

인식, 소음 및 기타 우려 사항

소닉 붐의 소리는 주로 관측자와 소닉 붐을 일으키는 항공기 형태 사이의 거리에 따라 달라집니다.소닉 붐은 보통 항공기가 어느 정도 떨어져 있기 때문에 깊은 이중의 붐으로 들립니다.그 소리는 불꽃놀이에서 흔히 사용되는 박격포탄과 매우 흡사하다.아음속-초음속 전환 중에 단 하나의 붐만 발생한다는 것은 일반적인 오해입니다. 오히려 붐 카펫을 따라 초음속 비행 전체에 걸쳐 붐이 계속됩니다.전 콩코드 조종사의 말처럼, "기내에서 실제로 아무 소리도 들리지 않습니다.우리가 볼 수 있는 것은 항공기를 따라 내려가는 압력파뿐입니다. 이 압력파는 계측기에 대한 표시를 제공합니다.이것이 마하 1의 특징입니다.하지만 소닉 붐 같은 건 들리지 않아요그건 마치 배가 지나간 것 같은 느낌이에요. 우리 ^[10]뒤에 있어요."

1964년, NASA와 연방 항공국은 오클라호마 시티의 소닉 붐 테스트를 시작했고, 이것은 6개월 동안 하루에 8번의 소닉 붐을 일으켰다.실험을 통해 귀중한 데이터를 수집했지만, 1만 5천 건의 민원이 발생했고 결국 정부는 집단 소송에서 1969년 항소심에서 패소했다.

소닉 붐은 또한 영국의 노스 콘월이나 노스 데본에서도 성가신 존재였다. 왜냐하면 이 지역들은 콩코드 비행 경로 아래에 있었기 때문이다.윈도우가 덜컹거리고 경우에 따라서는 "토치" (루프 슬레이트 아래를 가리키는 것)가 진동과 함께 제거될 수 있습니다.

특히 DARPA의 Quiet Supermonic Platform 연구에서 최근 이 분야에 대한 연구가 있었다.이 프로그램의 음향 전문가들에 의한 연구는 주파수 함량을 포함한 소닉 붐의 구성을 보다 면밀히 조사하기 시작했다.전통적인 소닉 붐 "N" 웨이브의 몇 가지 특성은 지상 청취자가 얼마나 크고 짜증나게 느낄 수 있는지에 영향을 미칠 수 있습니다.콩코드나 군용기에서 발생하는 강한 N파라도 과압의 상승 시간이 충분히 길면 훨씬 덜 불쾌할 수 있다.PLdB 단위로 측정된 인식된 음량이라고 알려진 새로운 지표가 등장했다.여기에는 주파수 내용, 상승 시간 등이 고려됩니다.잘 알려진 예로는 손가락 딱딱거림이 있는데, 이 때 "인식된" 소리는 성가신 것에 지나지 않는다.

소닉 붐의 에너지 범위는 아음속 항공기, 총격 및 대부분의 산업 소음보다 상당히 낮은 0.1-100Hz 주파수 범위에 집중되어 있다.소닉 붐의 지속 시간은 짧다; 대부분의 전투기 크기의 항공기는 100밀리초(0.1초), 우주왕복선이나 콩코드 제트 여객기는 500밀리초 미만이다.소닉 붐 경로의 강도와 폭은 항공기의 물리적 특성과 작동 방식에 따라 달라집니다.일반적으로 항공기의 고도가 클수록 지상의 과압은 낮아진다.고도가 높을수록 붐의 횡방향 확산도 증가하여 더 넓은 영역이 붐에 노출됩니다.그러나 소닉 붐 충격 부위의 과도한 압력은 균일하지 않습니다.붐 강도는 비행 경로 바로 아래에서 가장 크며, 항공기 비행 경로에서 수평 거리가 멀어질수록 점차 약해진다.붐 노출 영역의 지상 폭은 고도 1,000피트(300m)마다 약 1.6km(1,000마일)이다. 즉, 30,000피트(9,100m)에서 초음속을 비행하는 항공기는 약 30마일(48km)의 횡방향 붐을 일으킨다.안정적인 초음속 비행을 위해 초음속과 고도를 유지하며 항공기와 함께 움직이기 때문에 융단 붐으로 묘사된다.다이빙, 가속 또는 회전과 같은 일부 기술은 붐의 초점을 유발할 수 있습니다.감속과 상승과 같은 다른 기술들은 충격의 강도를 감소시킬 수 있다.어떤 경우에는 기상 조건이 소닉 ^[6]붐을 왜곡시킬 수 있다.

비행기의 고도에 따라 비행 후 2초에서 60초 후에 소닉 붐이 지상에 도달한다.그러나 모든 굉음이 지상 레벨에서 들리는 것은 아니다.어느 고도에서나 음속은 기온의 함수입니다.온도가 낮아지거나 높아지면 음속도 그만큼 낮아지거나 빨라집니다.표준 대기 조건에서는 고도가 높아짐에 따라 대기 온도가 낮아집니다.예를 들어 해수면 온도가 화씨 59도(15°C)일 경우 30,000피트(9,100m)의 온도는 화씨 영하 49도까지 떨어집니다(-45°C).이 온도 구배는 음파를 위쪽으로 구부리는 데 도움이 됩니다.따라서 붐이 지상에 도달하기 위해서는 지면에 대한 항공기 속도가 지상의 음속보다 커야 한다.예를 들어, 30,000피트(9,100m)에서의 음속은 시간당 약 670마일(1080km/h)이지만, 지상에서 ^[6]쾅 소리가 들리기 위해서는 항공기가 시간당 최소 750마일(1,210km/h)(Mach 1.12)을 이동해야 한다.

대기의 구성도 한 요인이다.온도 변화, 습도, 대기 오염, 바람은 모두 지상에서 소닉 붐이 어떻게 감지되는지에 영향을 미칠 수 있습니다.심지어 땅 자체도 소닉 붐 소리에 영향을 줄 수 있다.콘크리트, 포장 및 대형 건물과 같은 단단한 표면은 반사를 일으켜 소닉 붐 소리를 증폭시킬 수 있습니다.마찬가지로, 풀이 무성한 들판과 풍부한 잎은 소닉 붐의 과도한 압력의 강도를 약화시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

현재, 소닉 붐의 수용성에 대해 업계에서 인정되고 있는 규격은 없습니다.그러나, 인간이 소닉붐에 의해 발생하는 소음에 어떻게 반응하는지를 이해하는 데 도움이 되는 측정 기준을 만드는 작업이 진행 중이다.^[11] 이러한 지표가 추가 연구나 초음속 상공비행 테스트를 통해 확립될 때까지 미국을 포함한 몇몇 국가에서 시행되고 있는 초음속 상공비행에 대한 현재의 금지를 철폐하는 법률이 제정될지는 의문이다.

투우십

투우프가 제대로 휘둘렀을 때 나는 균열음은 사실 작은 소닉 붐이다."크래커"로 알려진 채찍의 끝부분은 음속보다 더 빠르게 움직여서 소닉 ^[2]붐을 일으킨다.

황소자루는 손잡이 부분에서 크래커로 점점 가늘어진다.크래커는 손잡이 부분보다 질량이 훨씬 적다.채찍이 급격히 휘둘리면, 운동량은 점점 줄어드는 채찍의 길이로 이동하며, 감소하는 질량을 빠른 속도로 보충합니다.고리와 맥밀런은 물리적 설명이 복잡하다는 것을 보여주었고,^[12] 이는 루프가 장력을 받아 테이퍼 필라멘트를 따라 이동하는 방식을 포함한다.

「 」를 참조해 주세요.

• 체렌코프 방사선
• 극초음속
• 초저진
• 접지 진동 붐

레퍼런스

^[1]

• Skilling, T. 및 WGN-TV, 수석 기상학자(2021년, 8월 20일).톰에게, 천둥의 데시벨 수치가 기록된 적이 있나요?시카고 트리뷴입니다2022년 2월 6일 https://www.chicagotribune.com/news/ct-xpm-2001-09-20-0109200272-story.html에서 취득(Sonic Boom 데시벨 정보)

• 던바, B. (2015년, 5월 27일)초음속 비행이란 무엇인가?NASA. 2022년 2월 6일 https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-supersonic-flight-58.html #:~:text=Flight%20than%20is%20faster%20sound%2C%20or%20Mach%205에서 취득.

• M., V. (2004년, 6월 17일)초음속 항공기의 다단계 최적화.프랑스, 엘세비어
• 폭스, C. (2021년 6월 4일)유나이티드는 2029년까지 초음속 여객기를 운항할 계획이다.BBC 뉴스입니다.2022년 2월 8일 https://www.bbc.com/news/technology-57361193에서 취득
• 쿠퍼, J.E. (2001)공기 탄성 반응진동 백과사전, 87~97.https://doi.org/10.1006/rwvb.2001.0125

^[2]

외부 링크

• Ghostarchive 및 Wayback Machine에서 아카이브:
• S-521 초음속 제트기의 보스턴 글로브 프로필