Звуковой удар. Звуковой удар Сверхзвуковой удар

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 ).

В первый период эксплуатации сверхзвуковых самолетов значительное внимание привлекала проблема так называемого звукового удара-явления, необычного для предыдущего развития авиации. Выяснение физического смысла, широкая распространенность явления, а позднее и введение ограничений в полетах военных самолетов над крупными населенными пунктами привели к тому, что в дальнейшем к этому явлению привыкли. Лишь в 70-х годах – после ввода в эксплуатацию сверхзвуковых пассажирских самолетов – оно снова приобрело актуальность в связи с требованиями ограничения шума, которые были выдвинуты вследствие повышения внимания к охране среды обитания человека.

Правда, звуковой удар кратковременен, но в некоторых случаях он может быть и продолжительным, а его неблагоприятное воздействие связано с большой интенсивностью и внезапностью возникновения звукового удара. Явление это поразительно похоже на артиллерийский залп, и ясно, что оно вредно воздействует на органы слуха и при соответствующей интенсивности может даже быть причиной их повреждения. Кроме того, звуковой удар может вызывать также изменение частоты пульса, нарушает душевное равновесие человека, влияет на самочувствие водителей транспорта и т.п. Интенсивные звуковые удары могут возбудить панику среди больших стад животных, растрескивание и осыпание штукатурки стен и даже разрушение стен и кровли зданий. Среди этих аргументов встречаются также утверждения о возможности нарушения биологического равновесия среды, загрязнения атмосферы и т.п. Многие из них сходны с аргументами противников первых транспортных средств с паровым двигателем и обусловлены либо консерватизмом части людей, либо соображениями торговой конкуренции. Тем не менее стало необходимым проведение специальных исследований вредных последствий звукового удара для определения допустимых уровней шума, а особенно допустимой нижней границы высоты полета сверхзвуковых самолетов над заселенными территориями. Безусловно, само по себе изучение явления не разрешает еще экологических проблем звукового удара, а дает лишь ориентиры того, как можно избежать его негативных последствий. Итак, в чем заключается явление звукового удара?

Выше указывалось, что во время полета самолета со скоростью звука перед ним возникает ударная волна, в которой скорость потока резко снижается, а давление (и, следовательно, плотность и температура) возрастает. Таким образом, происходит высвобождение значительного количества энергии в окружающую самолет среду, что приводит к интенсивным колебаниям частиц воздуха, проявляющимся в виде громового звука, подобного раскату пушечного залпа. В период первых полетов с кратковременным превышением скорости звука (при пикировании, поскольку раньше всего скорость звука была достигнута на этом режиме) звуковой удар воспринимался наблюдателем на земле два раза. Первый хлопок происходит в момент превышения самолетом скорости звука, а второй-в момент обратного перехода через нее. Промежуток времени, разделяющий эти два удара, определяется продолжительностью полета со сверхзвуковой скоростью; с учетом неоптимальных аэродинамических форм самолета того времени с ростом плотности воздуха происходило быстрое торможение самолета. Как видно из рис. 1.12, при пикировании самолета с относительно небольшой высоты оба удара могут быть услышаны одновременно. Звуковая волна перемещается (очевидно, со скоростью звука) в направлении, перпендикулярном ее плоскости, поэтому интенсивность удара в рассматриваемом случае бывает тем больше, чем круче пикирование и чем меньше расстояние от самолета до наблюдателя.

Рис. 1.12. Возникновение первого и второго звуковых ударов.

Рис. 1.13. Изменение давления в звуковой волне N в вертикальной плоскости под самолетом (а) и зона слышимости звукового удара на земле во время полета англо-французского пассажирского самолета «Конкорд» со сверхзвуковой скоростью (б).

При полете со сверхзвуковой скоростью на поверхностях планера создается сложная система скачков уплотнения и областей низкого давления. Наиболее интенсивные скачки создают носовая часть самолета, которая в полете первой встречает частицы невозмущенного потока воздуха, и элементы хвостовой части, где практически заканчиваются возмущения, вносимые самолетом в окружающую среду. Эти два скачка уплотнения называются соответственно головным и хвостовым. Промежуточные возмущения либо догоняют головной скачок, либо из-за меньшей скорости настигаются хвостовым скачком. Таким образом, уже на небольшом расстоянии от самолета система скачков уплотнения превращается в двухскачковую систему. За головным скачком давление воздуха скачкообразно возрастает выше атмосферного на значение Ар, а затем плавно уменьшается ниже атмосферного на то же самое значение. В хвостовом скачке происходит скачкообразный рост давления до атмосферного значения.

Описанная плоская модель возникновения системы скачков уплотнения в действительности является пространственной системой, которую можно привести к двум конусам Маха. Таким образом, при горизонтальном полете с постоянной сверхзвуковой скоростью звуковой удар слышен одновременно в различных точках поверхности Земли (этот вид звукового удара называется сверхзвуковым; в зависимости от длины самолета и высоты полета промежуток времени, разделяющий обе волны, может быть так мал, что хлопки сливаются в один отзвук). Геометрическим местом этих точек является гипербола, образуемая пересечением конуса Маха с поверхностью Земли. Поскольку самолет движется с определенной скоростью, вслед за ним распространяются ударные волны, которые в виде громовых раскатов слышатся на определенной территории. Практически это означает, что звуковой удар сопровождает сверхзвуковые самолеты на протяжении всей трассы полета, начиная с момента достижения скорости звука вплоть до момента обратного перехода через скорость звука при торможении перед посадкой.

Размеры зоны слышимости звукового удара (ширина «коридора», над которым самолет пролетает со сверхзвуковой скоростью) и его интенсивность зависят от многих параметров. С увеличением массы самолета и его скорости, а также с уменьшением высоты полета интенсивность звукового удара возрастает, а зона слышимости уменьшается. Так как до сих пор не разработано активных средств, снижающих интенсивность звукового удара, пока единственно возможными средствами являются пассивные. Так, для конкретного типа самолета допустимый уровень акустического давления определяется путем установления минимально допустимой высоты полета над населенными территориями.

Летные исследования самолета «Конкорд» показали, что при полете на высоте 18000 м с М = 2,2 угол конуса Маха составляет около 30°, акустическое давление Ар х 0,1 кПа, а зона слышимости звукового удара имеет ширину ~ 100 км. Установлено также, что на расстоянии около 200 км от аэродрома самолет должен уже лететь над малонаселенной территорией. Действительное влияние звукового удара, производимого эксплуатируемыми в настоящее время пассажирскими самолетами, до конца еще не изучено. Однако установлено, что водные животные и рыбы не подвергаются его отрицательным последствиям, а дикие и домашние животные на открытой местности реагируют на него, как на грозовой гром средней интенсивности. Не обнаружено также отрицательных воздействий полетов сверхзвуковых самолетов над горами, скалами, береговыми кручами и т.п. Итак, результаты проведенных до настоящего времени исследований говорят о том, что сейчас нет необходимости во введении каких-либо новых жестких ограничений для трасс пассажирских сверхзвуковых самолетов.

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.

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).

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

Смотреть что такое "Звуковой удар" в других словарях:

ЗВУКОВОЙ УДАР, резкий неприятный звук, создаваемый УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ САМОЛЕТОВ, летящих на СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТИ. Ударные волны образуются путем скопления звуковых волн впереди и позади самолета. Эти волны распространяются, достигая Земли уже… … Научно-технический энциклопедический словарь

звуковой удар - Акустический эффект воздействия на окружающую среду ударных волн, образующихся при сверхзвуковом движении летательных аппаратов в атмосфере. [ГОСТ 23281 78] [ГОСТ 26120 84] Тематики акустика авиационнаявнешние воздействующие факторы Обобщающие… … Справочник технического переводчика

Звуковой удар

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия Главный редактор Г.П. Свищев 1994