Sonic Boom یا انفجار صوتی چیست؟

ساختار صوت چیست؟ عبارات پرواز فروصوت و پرواز فراصوتی از کجا می‌آیند؟ چرا هواپیماهای جنگنده در سرعت‌های بالا مخروطی از ابر به دنبال خود تشکیل می‌دهند؟ صدای مهیبی که ایجاد می‌کنند چیست؟

در ادامه این مقاله، پاسخ همه این سوال‌ها را به زبانی ساده داده‌ایم. با ما همراه باشید.

لطفا برای فهم بهتر، به ویدیو نیز توجه کنید.

مختصری از ماهیت صوت

     صوت یا صدا موجی سه‌بعدی است که در محیط‌های مادی منتشر می‌شود. وقتی از واژه «موج» صحبت می‌کنیم، منظور حرکت خاصی است که در مولکول‌های هوا ایجاد می‌شود و انرژی، دما، فشار و چگالی محیط را تغییر می‌دهد. به هر چیزی که این حرکت خاص را ایجاد کند، منبع صوتی می‌گوییم. هواپیما در آسمان این حرکت خاص را ایجاد می‌کند و موج صوتی حاصل از آن به گوش ما می‌رسد. موج منتشرشده، مولکول‌های هوای محیط را متراکم می‌کند. فاصله هر دو تراکم را طول موج می‌نامند و با حرف یونانی لاندا (λ) نشان داده می‌شود.

     صدای هواپیماها در محیطی منتشر می‌شود که همه به‌خوبی می‌شناسیم، هوا! همانطور که می‌دانید، هوا سیالی گازی است که از عناصر مختلفی ترکیب شده‌است. موج صدا در محیط‌های مادی مختلف، مشخصه‌های متفاوتی دارد که یکی از آنها، سرعت انتشار است. سرعت انتشار صدا در هوا در ارتفاع‌های مختلف فرق می‌کند، می‌پرسید چرا؟ پاسخ آن ساده است! چون در ارتفاع زیاد چگالی هوا کم می‌شود، به عبارت ساده‌تر مولکول‌های هوا فاصله بیشتری دارند، پس متراکم‌کردن جبهه هوا کار دشوارتری است.

حرکت نسبی منبع صوت و شنونده

     در آغاز این مطلب، لازم است به مفهوم حرکت نسبی توجه کنیم: منبع صوتی را هواپیما در نظر می‌گیریم و شنونده، هر فردی است که صدای هواپیما را می‌شنود!

     در ساده‌ترین حالت، منبع صوتی و شنونده نسبت به هم حرکتی ندارند و هر دو در نقطه خاصی ثابت هستند، مثلا وقتی که هواپیما بر روی زمین و در نقطه خاصی ایستاده و شنونده نیز در جای خود ثابت است. در این حالت موج صوتی که دارای طول موج λ است، به‌صورت مساوی متراکم می‌شود و به شنونده می‌رسد.

     این بار، شنونده را ثابت و هواپیما را متحرک فرض می‌کنیم، مثلا وقتی که هواپیما در حال پرواز و شنونده در نقطه خاصی ایستاده است. در این حالت، موج صوتی جلوی هواپیما (با طول موج )، تراکم بیشتری از موج صوتی پشت هواپیما (با طول موج لاندا) دارد، چرا که منبع صوتی در محیط انتشار حرکت می‌کند:

λ1>λ     و     λ2<λ

این حالت را هنگام عبور خودروی آمبولانس نیز تجربه کرده‌اید، وقتی به شما نزدیک می‌شود صدای زیرتری دارد (فرکانس یا بسامد بیشتر) و وقتی از شما رد شد، صدای آن بم می‌شود (فرکانس یا بسامد کمتر). به این «اثر داپلر» می‌گویند که در مقاله‌ای جدا به آن خواهیم پرداخت.

     اگر هواپیما را منبع صوتی فرض کنیم، واضح است که می‌توان به‌راحتی حالت دوم را فرض و بر اساس آن تحلیل کرد.

انفجار صوتی

     برای سادگی فرض می‌کنیم که هواپیما (منبع صوتی) در ارتفاع ثابتی پرواز می‌کند و بنابراین سرعت انتشار صوت در آن ارتفاع خاص، ثابت است. سرعت هواپیما را v و سرعت انتشار صوت را c می‌نامیم.

     در اغلب پروازها، به‌ویژه پروازهای مسافربری، هواپیماها با سرعتی حرکت می‌کنند که از سرعت انتشار صوت کمتر است و به آن پرواز فروصوت یا Subsonic گفته می‌شود: یعنی v<c. در این حالت، موج صوتی که هواپیما ایجاد می‌کند، پیش از هواپیما حرکت می‌کند و به گوش شنونده می‌رسد. انرژی هر تراکم در این حالت به‌قدری است که تنها صدای عادی هواپیما را بشنوید.

     حال فرض می‌کنیم v=c. در این حالت منبع صوتی و امواج متراکم همراه با هم حرکت می‌کنند، پس بر روی هم تلنبار شده و همزمان به شنونده می‌رسند و انرژی تجمعی آنها یکباره به گوش می‌رسد. شنونده صدای بلندی می­شنود.

     در حالت سوم، فرض می‌کنیم v>c. در این حالت، منبع صوتی از موج‌هایی که منتشر می‌کند سریعتر است. اتفاق جالبی که می‌افتد، این است که امواج به‌صورت مخروطی بر روی هم جمع می‌شوند و وقتی به شنونده می‌رسند، صدای مهیبی می‌شنود که همان انفجار صوتی است. اگر هواپیما نزدیک باشد، این موج صوتی که انفجار نام گرفته‌است می‌تواند بسیار خطرناک باشد و ویرانی به بار آورد. به همین دلیل هواپیماهایی که با سرعت فراصوتی حرکت می‌کنند، اجازه ندارند از ارتفاع خاصی پایین‌تر پرواز کنند.

به قلم سید پوریا حسینی