ブーム！音が見えるようになる？

11月3日00:07頃

河南省平頂山市街地で突然大きな騒音が発生

多くの眠っていた市民が目覚めた

3日目の朝

平頂山市緊急管理局は関連状況について声明を発表した。

当初、原因はソニックブームであると判明した。

ソニックブームとは何ですか?

ソニックブームは危険ですか？

ソニックブームとはいったい何でしょうか?

ソニックブームは自然界で発生する物理現象です。

モーターボートが水中を航行しているとき、航行中に水が乱れることにより水中に波が発生するのをよく見かけます。水の波はモーターボートの周りのあらゆる方向に広がりました。同時に、航行方向の両側に外側に向かって押し出される 2 つの三角形の水跡が見えます。

画像出典: 中国科学博覧会

同様に、空気が乱れると、音は水のように波の形で外側に伝播します。これが音波です。航空機が空中を飛行すると乱れも発生し、乱れによって空気中に音波も発生します。このとき、空気中の音波も航空機の周囲に広がります。

亜音速飛行（音速以下の速度）の場合、航空機の速度は音波の伝播速度に追いつくことができません。このとき、水中を航行するモーターボートのように、音波は空気中のあらゆる方向に広がり、同時に尾部に2つの三角形の気流跡線が生成されます（飛行パフォーマンス中に見える尾部の色の帯は気流跡線です）。

画像出典: NetEase Newsビデオのスクリーンショット

航空機が音速または超音速で飛行する場合、航空機は音速よりも速く飛行するため、これらの音波がすべて重なり合い、航空機の頭部と突起部に円錐状の衝撃波が形成されます。音速で飛行する航空機の特殊なケースでは、円錐状の衝撃波は平面波に退化します。

円錐衝撃波と平面衝撃波はどちらも大量の音響エネルギーを集めます。このエネルギーが地上の人々の耳に到達すると、鼓膜は突然の気圧上昇を感じ取り、人々は短く非常に強い雷のような爆発音を感じます。これはソニックブームです。

画像出典: 中国科学博覧会

一般的に言えば

超音速機が飛行する場合、2 つの衝撃波が発生することがよくあります。

衝撃波が鼻の前部を包み込む

もう一つの衝撃波は機体の後方にある

それらはほぼ同時に地面に広がった

そして地面に映った

N字型の反射衝撃波を形成する

ソニックブームに遭遇すると

多くの場合、2つの「バン」という音が聞こえるでしょう

画像出典: 中国科学博覧会

航空機が「ウェディングドレス」を着る - ソニックブーム雲

航空機の高速飛行によりソニックブームが発生すると、航空機の先頭部の衝撃波後方の圧力と温度が上昇しますが、航空機の尾部後方には低温・低圧の領域が現れます。これにより尾の後ろの空気の状態が変化し、空気中の水蒸気が新しい条件下で凝縮して雲が形成されます。これはよく「ソニックブーム雲」と呼ばれます。

画像出典: 中国科学博覧会

ソニックブームの雲は円錐状の衝撃波に似た形状をしており、航空機の胴体に対して垂直な円錐形をしており、通常は数秒しか持続しません。ただし、すべての航空機が飛行中にソニックブーム雲を生成するわけではありません。ソニックブーム雲の出現は衝撃波の強さだけでなく、周囲の空気の気象条件とも密接に関係しています。したがって、ソニックブーム雲は特定の気象条件下でのみ発生します。

超音速爆撃機のソニックブーム 出典: Haining Science

戦闘機が音速の壁を通過しました。出典：海寧科学

人生におけるソニックブーム

実際、公園ではソニックブームがよく発生します。多くの高齢者は健康維持のためにコマ回しを好みますが、そのパリパリとした弾ける音は小さなソニックブームです。観測によれば、鞭が鳴ったとき、鞭の先端の速度は音速を超えた。

出典: ノーザン・モーニング・ニュース

2002年、Physical Review Letters誌に研究者による鞭状ソニックブームの原因分析が掲載され、鞭状の鞘の速度はマッハ2（音速の2倍）に達する可能性があることが示されました。著者らは、先端が鞭の初期速度の30倍以上の速度に達する可能性があると計算した。

画像出典: Smarter Every Day 鞭状の鞘が衝撃波を生み出す

ソニックブームの危険性は何ですか?

超音速航空機によって発生するソニックブームは、伝播範囲が広く、エネルギーが非常に大きいです。速度と高度が適切であれば、航空機の飛行経路に沿ってソニックブームが聞こえます。

例えば、飛行機が音速の2倍の速度で高度3,000メートルを飛行する場合、人々は60キロメートルの範囲内でソニックブームの音を聞くことができます。

航空機が低高度を超音速で飛行すると、地上の人々は耳をつんざくような騒音を聞くことができます。ひどい場合にはガラスが割れたり、壊れやすい建物に損傷を与えることもあります。

ソニックブームの圧力をより直感的な音の強さに変換すると、100 Pa の圧力はおよそ 133 デシベルに相当します。現時点では、ソニックブームによって発生する騒音は依然として人体、特に鼓膜に非常に有害です。

ソニックブームを除去するにはどうすればいいですか?

飛行速度、高度、ルート、周囲の気象条件など、ソニックブームの発生に影響を与える要因は多数あります。一般的に、人間は飛行速度、高度、ルートなどの要素を制御することはできますが、地上付近の気象条件や乱気流を制御することはできません。

現在、航空機の飛行によって発生するソニックブームを排除するために、科学研究者は主に、航空機の空力形状、主要部品の材料特性の改善、航空機のマフラーの性能向上、遮音装置の設置など、超音速航空機の設計、製造、制御に重点を置いています。

出典：中国科学院物理研究所、海寧科学普及センター、中国科学普及博覧会

編集者: 董暁賢

終わり

編集者: ムジ