Tiếng nổ siêu_thanh Tiếng nổ siêu_thanh là âm_thanh nghe được khi sóng xung_kích đi qua người quan_sát và các sóng xung_kích này có nguồn_gốc từ va_đập vào không_khí của các vật_thể chuyển_động nhanh hơn âm_thanh với tốc_độ siêu_thanh Năng_lượng âm_thanh có mật_độ lớn trong sóng xung_kích khiến cho âm_thanh được tạo ra giống như âm_thanh của một vụ nổ Âm_thanh của vụ nổ này có_thể làm hỏng màng_nhĩ và vỡ cửa_sổ Các máy_bay chuyển_động nhanh hơn âm_thanh đều tạo ra tiếng nổ siêu_thanh đối_với người quan_sát đứng đủ gần Tiếng nổ lách_tách trên đường_bay của viên đạn được bắn với tốc_độ nhanh hơn âm_thanh cũng có cùng nguyên_nhân Đầu nhỏ của một_số loại roi chăn bò cũng có_thể chuyển_động nhanh hơn tốc_độ âm_thanh khi được quật nhanh và cũng phát ra tiếng nổ lách_tách bởi cùng nguyên_nhân Nguyên_nhân Khi vật_thể di_chuyển trong không_khí những va_đập của không_khí vào vật_thể tạo ra những rung_động của các phân_tử không_khí Những rung_động này lan_truyền trong không_khí ở dạng âm_thanh sóng áp_suất với tốc_độ của tốc_độ âm_thanh Nếu vật_thể chuyển_động nhanh dần nhưng vẫn chậm hơn tốc_độ âm_thanh khoảng_cách giữa các mặt sóng ngay trước mũi vật_thể trở_nên nhỏ hơn do vật_thể đuổi theo mặt sóng như hình bên trái trong hình minh_hoạ bên Các mặt sóng ứng với các vùng áp_suất cao sẽ dần bị nén gần với nhau khi tốc_độ vật_thể tăng lên Đến khi tốc_độ vật_thể đúng bằng tốc_độ âm_thanh các mặt sóng bị nén chặt tại một điểm ở ngay mũi vật_thể hình giữa trong hình minh_hoạ bên Điểm mũi vật_thể nơi các mặt sóng bị ép lại có áp_suất rất lớn Các hạt không_khí va_đập vào mũi bị dồn_nén lại nhưng áp_suất này không kịp giải_toả ra hết môi_trường xung_quanh do tốc_độ lan_truyền của sóng áp_suất bằng đúng với tốc_độ di_chuyển của mũi Kết_quả là áp_suất tiếp_tục tăng lên đến giá_trị rất lớn Áp_suất cực lớn này lan_truyền ra xung_quanh ở dạng sóng sốc Tốc_độ vật_thể khi bằng tốc_độ âm_thanh gọi là Mach 1 khoảng 1225 km h ở mực nước_biển tại 20 độ C Nếu tốc_độ vật_thể tiếp_tục tăng cao hơn tốc_độ âm_thanh hình bên phải trong hình minh_hoạ bên mũi của vật_thể di_chuyển nhanh hơn cả sóng áp_suất âm_thanh Khối không_khí có áp_suất rất cao ở mũi vật_thể ở trạng_thái cân_bằng luôn lan ra xung_quanh đủ nhanh để kịp thoát ra khỏi mũi nhưng sau đó do giãn_nở trong quá_trình lan ra áp_suất giảm và tốc_độ lan ra chậm lại bằng với tốc_độ lan_truyền của sóng áp_suất thông_thường tức_tốc_độ âm_thanh Chuyển_động của mũi vật_thể và các khối khí_áp suất cao từ mũi có_thể được minh_hoạ bằng chuỗi sự_kiện như sau BULLET Tại thời_điểm t bất_kỳ khối khí_áp suất cao nằm ở vị_trí A gần vị_trí mũi vật_thể B Các vị_trí này có_thể được vẽ trên một khung hình đầu_tiên của một đoạn hoạt_hình tương_tự như hình bên BULLET Tại thời_điểm thời_điểm t dt với dt là khoảng thời_gian nhỏ khối khí_áp suất cao trên lan ra xung_quanh trong vùng hình_cầu bán_kính dR c dt với c là tốc_độ âm_thanh tâm hình_cầu tại điểm A ban_đầu Cũng tại thời_điểm t dt mũi vật_thể di_chuyển đến B cách B một khoảng BB v dt với v là tốc_độ của mũi và v c Vị_trí mới của mũi vật_thể và hình_cầu chứa khối khí cao_áp có_thể được vẽ ở khung hình thứ hai của một đoạn hoạt_hình tương_tự như hình bên BULLET Tương_tự xét thời_điểm t 2 dt rồi t 3 dt kết_quả thu được là đoạn hoạt_hình tương_tự như hình bên Vùng áp_suất cao lan ra xung_quanh trong giới_hạn một hình_nón có đỉnh là mũi vật_thể và chuyển_động cùng với vật_thể gọi là hình_nón Mach_Một nửa góc nón α tính bằng công_thức với v là tốc_độ vật_thể c là tốc_độ âm_thanh và v c là số Mach_Tốc_độ vật_thể càng cao thì góc nón càng nhỏ Trong vùng sóng sốc có sự tăng đột_ngột về áp_suất lên giá_trị rất lớn tại mũi vật_thể và trên các cạnh của nón Mach_Áp suất giảm dần về phía đuôi vật_thể và đạt giá_trị nhỏ hơn áp_suất thông_thường của không_khí tại đuôi do bảo_toàn số hạt không_khí có vùng tăng áp_suất thì phải có vùng giảm áp_suất cũng như tại các cạnh nón Mach ứng với đuôi Khi nón Mach ứng với đuôi đi qua áp_suất lại tăng đột_ngột lên áp_suất thông_thường của khí_quyển Tiếng nổ được sinh ra khi có sự thay_đổi đột_ngột về áp_suất do_đó có 2 lần nghe thấy tiếng nổ khi nón Mach đi qua BULLET lần thứ nhất khi áp tăng đột đột_ngột từ bình_thường lên áp_suất cao ứng với cạnh của hình_nón Mach của mũi vật_thể BULLET và lần thứ hai khi áp_suất tăng đột_ngột từ áp_suất nhỏ hơn áp_suất khí_quyển tại cạnh của hình_nón Mach của đuôi vật_thể lên áp_suất thường Do có sự tăng giảm rồi lại tăng về áp_suất khi các nón Mach đi qua như trên sự biến_đổi của áp_suất còn được gọi là sóng N vì hình_dạng biến_đổi giống chữ N Nếu máy_bay bay_lượn vòng có_thể quan_sát biến_đổi áp_suất theo sóng U Tính_chất Chênh_lệch áp_suất giữa cạnh của nón Mach và áp_suất khí_quyển thông_thường nằm trong khoảng 50 đến 500 Pa đối_với các máy_bay siêu_thanh thường gặp Chênh áp lớn nhất từng được quan_sát là vào_khoảng 7000 Pa sinh ra bởi một máy_bay F 4 bay nhanh hơn tốc_độ âm_thanh một_chút và không gây ảnh_hưởng sức_khoẻ cho những nhà_nghiên_cứu đứng gần đó Cường_độ âm_thanh của tiếng nổ siêu_thanh còn phụ_thuộc vào hình_dạng vật_thể bay Máy_bay dài hơn tạo ra tiếng nổ yếu hơn do vùng chênh áp_suất bị kéo_dài ra Vật_thể bay ở độ cao_lớn hơn sẽ gây ra tiếng nổ nhỏ hơn ở mặt_đất do sóng sốc giảm cường_độ khi lan ra xa khỏi vật_thể Cường_độ tiếng nổ tỷ_lệ với chênh áp trong vùng sóng sốc giảm chậm khi tốc_độ vật_thể siêu_thanh tăng lên Ngoài việc sinh ra tiếng nổ thay_đổi áp_suất trong vùng nón Mach còn có_thể tạo ra nón mây trắng bay kèm theo trong điều_kiện thích_hợp về độ_ẩm nhiệt_độ và độ cao bay Hơi_nước trong không_khí gặp vùng áp_suất cao đột_ngột cao hơi áp_suất bão_hoà hơi_nước thì bị ngưng_tụ lại thành những giọt rất bé tạo nên hình mây trắng Ngay khi nón áp_suất cao đi qua thì áp_suất lại giảm các giọt hơi_nước lại bốc_hơi ngay hoà_tan vào không_khí Do_đó chỉ tại vùng áp_suất cao mới xuất_hiện mây và do vùng áp_suất cao hình_nón chuyển_động cùng với máy_bay sẽ có_thể quan_sát được đám mây hình_nón cũng chuyển_động với máy_bay Nón mây này nằm lùi lại một_chút so với mũi máy_bay do có độ trễ trong quá_trình ngưng_tụ và bốc_hơi của hơi_nước Giảm_thiểu Trong thập_niên 1950 khi giao_thông siêu_thanh đang được quan_tâm người ta từng cho rằng tiếng nổ siêu_thanh tuy to nhưng có_thể sẽ không nghe thấy nếu bay cao Tuy_nhiên chuyến bay của B 70 Bắc_Mỹ_Valkyrie cho thấy tiếng nổ gây khó_chịu ngay cả khi bay ở độ cao 21 000 m Đây là lần đầu_tiên người ta quan_sát thấy sóng N Richard_Seebass và Albert_George ở Đại_học Cornell đã nghiên_cứu vấn_đề giảm_thiểu tiếng nổ siêu_thanh và đã định_nghĩa một hàm_số viết tắt là FM phụ_thuộc vào trọng_lượng và chiều dài của máy_bay đặc_trưng cho mức_độ gây ồn do tiếng nổ siêu_thanh của từng máy_bay Nếu hàm_số này có giá_trị bằng 1 thì ứng với mức_độ ồn chấp_nhận được còn nếu cao hơn thì quá ồn và sẽ gây khó_chịu Các ông đã đo được FM của Concorde là 1 4 và của Boeing 2707 là 1 9 Kết_quả này cùng với các vấn_đề chính_trị đã dẫn đến các bộ_luật ngăn_cản sự phát_triển của giao_thông siêu_thanh ví_dụ chỉ cho_phép bay qua vùng_biển Seebass và George cũng đã thử tính_toán và thay_đổi thiết_kế máy_bay để trải dài sóng N ra do_đó giảm tiếng nổ siêu_thanh Các thiết_kế này được DARPA thử_nghiệm trong dự_án Nền_tảng Siêu_thanh Yên_tĩnh trên máy_bay F 5E có chỉnh_sửa hình_dạng với mũi dài hơn so với F 5F Thử_nghiệm đã kéo_dài 2 năm với 21 chuyến bay 1300 đoạn thu_hình và thu âm trong đó có một_số được thu lại từ vị_trí nằm trong sóng sốc bởi một máy_bay bay đuổi theo đằng sau Kết_quả là tiếng nổ siêu_thanh giảm được 1 3 nhờ các cải_tiến hình_dạng Kết_quả này đủ để giúp giảm FM của Concorde xuống mức 1 Sau thử_nghiệm trên năm 2006 một nhóm của NASA Gulfstream_Aerospace đã thử Mũi_Yên tĩnh trên một máy_bay F 15B 836 Mũi_Yên tĩnh là một que có_thể thay_đổi độ dài theo cơ_chế tương_tự như một_số ăng ten ti_vi trong nhà có_thể gắn ở mũi của máy_bay để làm giảm cường_độ sóng sốc khi bay ở tốc_độ siêu_thanh 50 chuyến bay thử đã được tiến_hành và nhóm nghiên_cứu đã giành được giải_thưởng của báo Aviation_Week vào tháng 3 năm 2008 cho các thử_nghiệm này Thiệt_hại từ tiếng nổ siêu_thanh Ngày 15 12 2021 người_phát_ngôn của Không đoàn 142 của Không_quân Hoa_Kỳ đã phải lên_tiếng xin_lỗi vì máy_bay của đơn_vị này ở bang Oregon đã vô_tình gây ra một vụ nổ siêu_thanh khiến người_dân nơi này hoảng_sợ vì tưởng là động_đất Theo quy_định các phi_công của Không_quân Vệ_binh Quốc_gia được phép gây ra những vụ nổ siêu_thanh khi bay cách bờ biển ít_nhất 24 km nhưng mũi máy_bay nên hướng ra xa đất_liền Trong suốt lịch_sử phát_triển các loại vũ_khí siêu_thanh Không_quân và hải_quân Mỹ đã phải bồi_thường hàng trăm thiệt_hại và thương_tật do tiếng nổ siêu_thanh gây ra Năm 1982 không_quân Mỹ đã bồi_thường 26 000 USD sau khi một gia_đình ở bang Tennessee cáo_buộc rằng tiếng nổ siêu_thanh đã giết chết 61 con lợn làm văng vật_liệu trám răng của một phụ_nữ và sụp móng một ngôi nhà Người phụ_nữ trong vụ_việc cũng nói mình đã bị mờ mắt đau tai và chóng_mặt trong nhiều tuần Xem thêm BULLET Bức_xạ Cherenkov_BULLET_Sóng xung_kích
Tiếng nổ siêu_thanh