Ce este boom-ul sonic şi cum se produce

Cuprins:

Ce este un boom sonic

Termenul de boom sonic se referă la un zgomot impulsiv foarte puternic, asemănător tunetului sau unei explozii, care este produs de undele de șoc generate atunci când un obiect se deplasează prin aer cu o viteză mai mare decât cea a sunetului (aproximativ 1.207 km/h la nivelul mării). Mai simplu spus, atunci când un avion sau un alt obiect care se deplasează prin atmosferă accelerează, acesta produce unde de presiune în aer. Trebuie reținut că boom-ul sonic nu apare doar în momentul depășirii vitezei sunetului, ci se produce continuu pe toată durata deplasării supersonice.

De exemplu, un avion aflat în zbor generează în mod continuu unde de presiune a aerului, care sunt similare cu undele produse pe apă de prova unei nave. Atunci când aeronava depășește viteza sunetului, aceste unde de presiune se combină și formează unde de șoc care se propagă înainte din punctul de generare sau de „eliberare”. În timpul zborului la viteze supersonice, aeronava generează continuu astfel de unde de șoc, „lăsând” boomuri sonice de-a lungul traiectoriei sale, similar unei persoane care aruncă obiecte dintr-un vehicul aflat în mișcare. Din perspectiva aeronavei, boom-ul pare să fie împins înapoi pe măsură ce se îndepărtează de aceasta, însă dacă avionul execută un viraj brusc sau urcă rapid, boom-ul poate va lovi solul în fața aeronavei, aflăm de pe af.mil.

Câte tipuri de boom-uri există

Există două tipuri de boom-uri: unde de tip N și unde de tip U. Unda de tip N este generată în condiții de zbor stabil și, așa cum sugerează numele, are forma literei „N”. Aceasta prezintă un șoc frontal care duce la o suprapresiune pozitivă maximă, urmată de o scădere liniară a presiunii până când șocul posterior readuce presiunea la nivelul ambiant. De partea cealaltă, unda de tip U, numită și boom focalizat, apare în timpul manevrelor de zbor și are forma literei „U”. Acest tip de boom prezintă șocuri pozitive atât în partea frontală, cât și în cea posterioară, iar suprapresiunile sunt mai mari decât în cazul undei de tip N.

În cazul avioanelor supersonice de ultimă generație, în condiții normale de operare, suprapresiunea maximă variază de la mai puțin de o livră până la aproximativ 49 kg/m² pentru undele de tip N. Pentru undele de tip U, valorile pot fi de două până la cinci ori mai mari, însă afectează o suprafață mult mai mică. Cel mai puternic boom sonic înregistrat vreodată a fost de circa 69 kg/m², care însă nu a provocat răni cercetătorilor expuși. Acest boom sonic a fost generat de un avion F-4 care zbura la mică altitudine, de aproximativ 30 de metri, cu puțin peste viteza sunetului.

În teste mai recente, efectuate în condiții realiste de zbor, valoarea maximă măsurată a fost de 9,5 kg/m². Există posibilitatea ca boom-urile sonice să producă daune, cum ar fi spargerea geamurilor. Totuși, clădirile bine întreținute nu ar trebui să fie afectate de presiuni sub 7,8 kg/m², mai notează af.mil. În mod normal, expunerea populației la boom-uri sonice este sub 0,9 kg/m². De asemenea, mișcarea solului generată de boom-urile sonice este rară și se situează mult sub pragurile considerate periculoase de agențiile de specialitate.

Istoria boom-ului sonic

Industria aerospațială a fost nevoită să analizeze cu mare atenție impactul pe care îl au boom-urile sonice. Prima aeronavă capabilă să producă un astfel de fenomen a fost avionul propulsat de un motor-rachetă Bell X-1, care, în 1947, avându-l la manșă pe pilotul de teste Charles „Chuck” Yeager, a depășit oficial viteza sunetului. Episodul a fost imortalizat mai târziu prin cartea „The Right Stuff” și în filmul cu același nume, scrise de Tom Wolfe. În anii care au urmat acestei realizări, producătorii de aeronave sperau să inaugureze o nouă eră a zborurilor supersonice.

Astfel, în anul 1976, un avion de linie anglo-francez, cunoscut sub numele de Concorde, efectua zboruri comerciale regulate peste Oceanul Atlantic. Zburând cu o viteză care o depășea pe cea a sunetului, acesta putea transporta pasageri de pe coasta de est a Statelor Unite în Europa în doar trei ore și jumătate, în loc de opt ore cât dura de obicei. Cu toate acestea, boom-urile sonice produse de Concorde au fost nepopulare în rândul oamenilor care se aflau pe traseul de zbor al avionului, ceea ce a făcut ca în 2003 să fie retras oficial din serviciul comercial.

În Statele Unite, zborurile supersonice pe deasupra uscatului sunt interzise din 1973 de către Administrația Federală a Aviației (FAA), însă există câteva excepții, cum ar fi cele pentru armată și agențiile spațiale.

Ce provoacă un boom sonic

Boom-urile sonice pot fi produse de obiecte mici, precum gloanțele sau biciurile, dar și de fenomene naturale precum erupțiile vulcanice, ploile de meteori sau cutremurele. Totuși, ele sunt asociate de obicei cu avioanele. Atunci când un obiect zburător, cum ar fi, de exemplu, o navă spațială, accelerează la viteze mari, creează unde de aer și de sunet care se propagă în toate direcțiile, asemenea cercurilor produse de o piatră aruncată într-un lac. Pe măsură ce viteza crește, undele din fața obiectului se comprimă, în loc să se răspândească, în timp ce undele din lateral și din spatele navei continuă să se extindă. Când viteza depășește viteza sunetului, undele nu mai pot „ține pasul” cu respectivul obiect zburător. Presiunea acumulată în fața acestuia este eliberată sub forma unei unde de șoc puternice, pe care o percepem ca pe o explozie. Această „eliberare bruscă de presiune” este boom-ul sonic, conform NASA.

Caracteristicile boom-ului sonic

Energia boom-ului sonic este concentrată în intervalul de frecvență cuprins între 0,1 și 100 Hz, care este mult sub cel al frecvențelor generate de aeronavele subsonice, armele de foc sau de majoritatea zgomotelor industriale. Durata unui boom sonic este scurtă, și anume mai puțin de o secundă – mai exact aproximativ 100 de milisecunde pentru avioanele de luptă și până la 500 de milisecunde pentru o navetă spațială sau pentru avionul Concorde.

Intensitatea și lățimea zonei afectate depind de caracteristicile aeronavei și de modul de operare. În general, cu cât altitudinea este mai mare, cu atât suprapresiunea la sol este mai mică, dar aria afectată este mai mare. Intensitatea este maximă direct sub traiectoria aeronavei și scade treptat lateral. Lățimea zonei afectate este de aproximativ 1,6 km pentru fiecare 305 metri de altitudine.

Spre exemplu, o aeronavă aflată la peste 9.100 de metri altitudine produce un boom sonic cu o extindere laterală de circa 48 de kilometri. Pentru un zbor supersonic stabil, fenomenul este denumit „covor de boom sonic”, deoarece se deplasează odată cu aeronava. Unele manevre precum picajul, accelerarea sau virajele pot amplifica boom-ul, în timp ce încetinirea sau urcarea îl pot reduce. Condițiile meteorologice pot distorsiona, la rândul lor, propagarea sunetului.

Refracția boom-ului sonic

Boom-urile sonice ajung la sol la după două până la 60 de secunde după trecerea aeronavei, în funcție de altitudine. Totuși, nu toate boom-urile sunt auzite. Viteza sunetului depinde de temperatura aerului. În condiții atmosferice standard, pe măsură ce altitudinea crește, temperatura aerului scade, iar acest gradient are ca rezultat o scădere sau o creștere corespunzătoare a vitezei sunetului.

Spre exemplu, dacă temperatura la nivelul mării este de aproximativ 14°C, la o altitudine de circa 9.145 de metri aceasta scade până la aproximativ -45°C. Acest gradient de temperatură contribuie la devierea undelor sonore în sus. Prin urmare, pentru ca un boom sonic să ajungă la sol, viteza aeronavei raportată la sol trebuie să fie mai mare decât viteza sunetului la nivelul solului.

De exemplu, viteza sunetului la o altitudine de aproximativ 9.145 de metri este de circa 1.078 km/h, însă pentru ca boom-ul sonic să fie perceput la sol, o aeronavă trebuie să atingă cel puțin 1.207 km/h, adică Mach 1,12 (n.n. – Mach 1 reprezintă viteza sunetului).

Ce este un covor cu efect de boom sonic

Atunci când o aeronavă depășește viteza sunetului, aceasta creează un con de unde de presiune care se deplasează odată cu ea. Astfel, boom-ul sonic se deplasează odată cu aeronava, direcționând o parte din undele sale sonore către sol, acolo unde pot fi auzite, formând ceea ce este cunoscut sub denumirea de „covor de boom sonic”. Dimensiunea acestuia crește odată cu altitudinea, aproximativ 1,6 km pentru fiecare 305 metri de altitudine, potrivit nationalgeographic.com.

De exemplu, NASA estimează că un avion aflat la o altitudine de peste 15.200 de metri generează un covor de aproximativ 80 km lățime. Oamenii aflați direct sub traiectoria aeronavei vor auzi cel mai puternic boom, în timp ce, la margini, acesta va fi mult mai slab. Trebuie să știi că mișcările aeronavei sau relieful pot amplifica efectul.

Sunt boom-urile sonice periculoase?

Avioanele de pasageri zboară la viteze subsonice, generând în mod obișnuit un nivel de zgomot în cabină cuprins între 60 și 85 de decibeli. În schimb, în majoritatea cazurilor, boom-urile sonice produse de avioanele supersonice au o intensitate sonoră situată între 100 și 130 de decibeli la nivelul solului, în funcție de etapa zborului, valori insuficiente însă pentru a provoca probleme de sănătate, mai ales că expunerea este limitată în timp.

Totuși, pot apărea situații în care sunetele la aceste niveluri pot provoca leziuni temporare sau permanente ale auzului dacă nu porți protecție auditivă. În schimb, avioanele militare, aeronavele de test și demonstrațiile din cadrul show-urilor aviatice sunt cele mai susceptibile să genereze boom-uri sonice.

Totodată, dacă locuiești sau dacă vizitezi o zonă în care operează aeronave supersonice, cum ar fi în apropierea unei baze aeriene, este mai probabil să întâlnești un astfel de fenomen. La valori de aproximativ 120 de decibeli pot apărea răni minore, în timp ce clădirile obișnuite rezistă până la 127 de decibeli, conform NASA. Pentru a afecta timpanul uman, un boom sonic ar trebui să fie de aproape 600 de ori mai puternic decât cel produs de o navetă spațială la aterizare. Este important de știut că zborurile comerciale nu produc boom-uri sonice.