ソニックブーム

音源は音速の 1.4 倍 (マッハ 1.4) で移動しています。音源は発生する音波よりも速く移動しているため、前進する波面を先導します。

ソニックブームは、物体が音速よりも速く空気中を移動するときに発生する衝撃波に関連する音です。ソニックブームは膨大な量の音響エネルギーを生成し、人間の耳には爆発や雷鳴に似た音に聞こえます。

超音速弾が頭上を通過するときの音や鞭の音は、ソニックブームの小型版の例です。^[2]

大型の超音速航空機によるソニックブームは特に大きくてびっくりさせるもので、人を目覚めさせる傾向があり、一部の構造物に軽微な損傷を与える可能性があります。このため、陸上での超音速飛行は日常的に禁止されています。ソニックブームを完全に防ぐことはできませんが、研究によると、機体の形状を慎重にすることで、ソニックブームによる迷惑を軽減し、陸上での超音速飛行が実現可能な選択肢になる可能性があることが示唆されています。^[3]^[4]

ソニックブームは、物体が音速の壁を越えた瞬間にのみ発生するわけではなく、超音速物体から発せられる音として全方向に聞こえるわけでもありません。むしろ、ブームは物体が超音速で移動している間に発生する継続的な効果であり、物体の背後にある幾何学的な円錐形の領域と交差する点にいる観測者にのみ影響します。物体が移動すると、この円錐領域も物体の背後に移動し、円錐が観測者の上を通過すると、観測者は短時間「ブーム」を体験します。

原因

航空機が空中を通過すると、船の船首波と船尾波に似た一連の圧力波が航空機の前方と後方に発生します。これらの波は音速で移動し、物体の速度が増すにつれて、波は互いに十分に速く離れることができないため、一緒に押し付けられ、圧縮されます。最終的に、それらは単一の衝撃波に融合し、音速で移動します。これはマッハ 1と呼ばれる臨界速度で、海面および 20 °C (68 °F) で約 1,192 km/h (741 mph) になります。

スムーズな飛行では、衝撃波は航空機の機首から始まり、尾部で終わります。航空機の移動方向の周囲の異なる放射方向は等しいため (「スムーズな飛行」条件が与えられている場合)、衝撃波は航空機を先端とするマッハコーン(蒸気コーンに類似) を形成します。飛行方向と衝撃波の間の半角は次のように表されます。 $\alpha$

\sin \alpha ={\frac {v_{\text{sound}}}{v_{\text{object}}}}}

、

ここで、は飛行機のマッハ数の逆数です。したがって、飛行機の速度が速いほど、円錐はより細く尖った形になります。 ${\tfrac {v_{\text{音}}}{v_{\text{物体}}}}}$ ${\tfrac {1}{\mathrm {Ma} }}$ $\mathrm {Ma} ={\tfrac {v_{\text{object}}}{v_{\text{sound}}}}$

機首の圧力が上昇し、尾部で徐々に負圧まで減少し、物体が通過すると突然通常の圧力に戻ります。この「過圧プロファイル」は、その形状からN 波と呼ばれます。「ブーム」は、圧力が突然変化したときに発生します。したがって、N 波は 2 つのブームを引き起こします。1 つは最初の圧力上昇が観測者に到達したとき、もう 1 つは圧力が通常に戻ったときです。これにより、超音速航空機から独特の「ダブルブーム」が発生します。航空機が操縦しているとき、圧力分布は特徴的な U 波の形状でさまざまな形に変化します。

航空機が超音速である限り爆発音は継続的に発生するため、航空機の飛行経路に沿って地上に狭い経路が形成されます。これは、広がる赤いカーペットに少し似ているため、爆発音カーペットと呼ばれています。爆発音の幅は航空機の高度によって異なります。爆発音が聞こえる地上の地点から航空機までの距離は、航空機の高度と角度によって異なります。 $\alpha$

今日の超音速航空機の通常の運航条件では、ピーク過圧はN 波ブームで50 Pa未満から 500 Pa (1 psf (ポンド/平方フィート) から 10 psf) まで変化します。U 波のピーク過圧は N 波の 2 倍から 5 倍に増幅されますが、この増幅された過圧は、ソニックブームの残りの部分にさらされる領域と比較すると、非常に狭い領域にしか影響しません。これまでに記録された最強のソニックブームは 7,000 Pa (144 psf) で、それにさらされた研究者に怪我は起こりませんでした。このブームは、高度 100 フィート (30 m) で音速をわずかに超える速度で飛行していたF-4によって発生しました。 ^[5]最近のテストでは、より現実的な飛行条件で測定された最大ブームは 1,010 Pa (21 psf) でした。ソニックブームによって、ガラスが割れるなどの損害が発生する可能性があります。良好な状態の建物は、530 Pa (11 psf) 以下の圧力では損傷を受けないはずです。また、通常、ソニックブームへのコミュニティの露出は 100 Pa (2 psf) 未満です。ソニックブームによる地盤振動はまれであり、米国鉱山局やその他の機関が認める構造的損傷閾値をはるかに下回っています。^[6]

衝撃波の威力、つまり大きさは、加速される空気の量、つまり航空機の大きさと形状によって決まる。航空機の速度が増すと、衝撃波は航空機の周囲で狭くなり、非常に高速かつ高高度では衝撃音が聞こえなくなるほど弱くなる。衝撃波の前後の「長さ」は、航空機の長さの 3/2 乗によって決まる。したがって、長い航空機は短い航空機よりも衝撃波を「広げる」ため、衝撃波の威力は弱くなる。^[7]

航空機の他の箇所、主に凸状の箇所や曲線、翼の前縁、特にエンジンの吸気口では、いくつかの小さな衝撃波が形成される可能性があり、通常は実際に形成されます。これらの二次衝撃波は、空気がこれらの凸状の箇所の周りを強制的に回転することで発生し、超音速流で衝撃波を生成します。

後続の衝撃波は最初の衝撃波よりもいくらか速く、移動速度も速く、航空機から離れた場所で主衝撃波と合体して、より明確な N 波形状を形成します。これにより、衝撃の大きさと「立ち上がり時間」が最大化され、衝撃音が大きく聞こえます。ほとんどの航空機の設計では、特性距離は約 40,000 フィート (12,000 m) であり、この高度以下ではソニックブームが「弱くなる」ことを意味します。ただし、この高度以下では抗力により超音速飛行が特に非効率になり、深刻な問題を引き起こします。

超音速航空機

超音速航空機とは、音速のマッハ 1 を超える速度で飛行できる航空機のことです。「超音速には、音速のマッハ 5 倍、つまりマッハ 5 までの速度が含まれます」(Dunbar、2015)。超音速航空機の最高時速は通常、時速 700 マイルから 1,500 マイル (1,100 から 2,400 km/h) です。通常、ほとんどの航空機の最高速度は時速 1,500 マイル (2,414 km/h) を超えません。超音速航空機にはさまざまなバリエーションがあります。一部の超音速航空機モデルでは、スラスタ出力のためにモデルの空力特性を多少犠牲にできる、より優れた空力設計が採用されています。他のモデルでは、スラスタの効率と出力を利用して、空力特性の劣るモデルでもより高速な飛行を実現しています。米国軍で使用されている典型的なモデルの価格は、平均 1,300 万ドルから 3,500 万ドルです。

測定と例

航空機によって発生するソニックブームの圧力は、1 平方フィートあたり数ポンドになることがよくあります。より高度の高い場所を飛行する車両では、衝撃波が車両から遠ざかるにつれて強度が弱まるため、地上に発生する圧力は低くなりますが、ソニックブームは車両の速度による影響をあまり受けません。

減免

1950 年代後半、超音速輸送機(SST) の設計が活発に進められていた頃、ブームは非常に大きくなるものの、高度を上げることで問題を回避できると考えられていました。この仮定は、ノースアメリカン XB-70 ヴァルキリーが初飛行したときに誤りであることが証明され、高度 70,000 フィート (21,000 m) でもブームが問題になることが判明しました。これらのテスト中に、N 波が初めて特徴付けられました。

コーネル大学のリチャード・シーバスと彼の同僚アルバート・ジョージは、この問題を徹底的に研究し、最終的にさまざまな航空機のソニックブームのレベルを特徴付ける「性能指数」（FM）を定義しました。FMは航空機の重量と航空機の長さの関数です。この値が低いほど、航空機が生成する衝撃は少なく、約1以下の数値が許容範囲と見なされます。この計算を使用して、彼らはコンコルドのFMが約1.4、ボーイング2707のFMが1.9であることを発見しました。これは最終的にほとんどのSSTプロジェクトを失敗に導きました。なぜなら、国民の憤りと政治が混ざり合い、最終的にはそのような航空機をあまり役に立たなくする法律（たとえば、超音速で水上を飛行すること）が制定されたからです。ビジネスジェットのような小型飛行機の設計が好まれ、可聴衝撃音を最小限またはまったく発生しない傾向があります。^[7]

LB Jonesの以前の研究^[9]を基にして、SeebassとGeorgeはソニックブームの衝撃波を除去できる条件を特定しました。この研究はChristine. M. Darden ^[10]^[11]によって拡張され、ソニックブーム最小化のJones-Seebass-George-Darden理論として説明されました。^[7]この理論は、問題に別の角度からアプローチし、鋭いが広角のノーズコーンで強く下向きに集中した（SR-71ブラックバード、ボーイングX-43）衝撃波を発生させ、わずかに超音速（バウショック）で移動し、後退角のある全翼機または斜め全翼機を使用してこの衝撃波を飛行方向に沿って平滑化（衝撃波の尾部は音速で移動）することで、N波を横方向および時間的（縦方向）に広げようとしました。この原理を既存の飛行機に適応させるため、翼の前縁ではさらに強い衝撃が発生するため、翼下の胴体は面積則に従って形作られる。理想的には、これにより特性高度が40,000フィート（12,000メートル）から60,000フィート（12,000メートルから18,000メートル）に上昇し、ほとんどのSST航空機が飛行すると予想されていた高度になる。^[7]

これは何十年もテストされなかったが、DARPA がQuiet Supersonic Platformプロジェクトを開始し、テスト用にShaped Sonic Boom Demonstration (SSBD) 航空機に資金を提供した。SSBD ではF-5 フリーダムファイターが使用された。F-5E は高度に改良された形状に改造され、機首が F-5F モデルまで延長された。フェアリングは機首から機体下面の吸気口まで延びていた。SSBD は 2 年間にわたり 21 回の飛行でテストされ、ソニックブームの特性に関する広範な研究となった。追跡機によって衝撃波内で撮影されたものも含め 1,300 回の録音を測定したところ、SSBD によってソニックブームが約 3 分の 1 減少した。3 分の 1 は大きな減少ではないが、コンコルドのソニックブームを FM = 1 未満の許容レベルまで低減できた可能性がある。

SSBD の後継として、2006 年にNASA - Gulfstream AerospaceチームがNASA Dryden の F-15B 航空機 836 でQuiet Spikeをテストしました。Quiet Spike は、航空機の機首に取り付けられた伸縮式ブームで、超音速で航空機の機首に形成される衝撃波の強度を弱めるために特別に設計されています。50 回を超えるテスト飛行が行われました。いくつかの飛行には、NASA のインテリジェントフライトコントロールシステムテストベッドである 2 台目の F-15B、航空機 837 による衝撃波の調査が含まれていました。

ブーゼマン複葉機のような理論上の設計では、ソニックブームをまったく発生させないように見えるものもあります。しかし、空気力学的揚力を発生させる場合、衝撃波の発生は避けられません。^[7]

2018年、NASAはロッキード・マーティン社に、低爆音飛行実証機と呼ばれる設計の製造を2億4,750万ドルで委託した。この設計は、爆音を車のドアが閉まる音まで下げることを目的としている。^[12] 2023年10月時点で、初飛行は2024年と予想されている。^[13]

知覚、騒音、その他の懸念

ソニックブームの音は、観測者とソニックブームを発生させる航空機の形状との距離に大きく依存する。航空機が通常ある程度離れているため、ソニックブームは通常、深い二重の「ブーム」として聞こえる。その音は、花火大会でよく使われる迫撃砲弾の音によく似ている。亜音速から超音速への移行中にブームが 1 回だけ発生するというのはよくある誤解である。むしろ、ブームは超音速飛行中ずっとブームカーペットに沿って継続する。元コンコルドのパイロットは次のように述べている。「機内では実際には何も聞こえません。私たちが目にするのは、航空機を下って移動する圧力波だけです。それが計器を示します。そして、それがマッハ 1 付近で私たちが目にするものです。しかし、ソニックブームやそれに類するものは聞こえません。それはむしろ船の航跡のようなもので、私たちの後ろにあります。」^[14]

1964年、NASAと連邦航空局はオクラホマシティでソニックブーム実験を開始し、6か月間にわたって1日あたり8回のソニックブームを発生させた。実験から貴重なデータが収集されたが、15,000件の苦情が寄せられ、最終的に政府は集団訴訟に巻き込まれ、1969年に控訴で敗訴した。

ソニックブームは、コンコルドの飛行経路下にある英国の北コーンウォールと北デボンでも迷惑だった。窓がガタガタと鳴り、場合によっては「トーチング」（屋根スレートの下の石積みモルタル）が振動で剥がれ落ちることもあった。

この分野では、特に DARPA の Quiet Supersonic Platform 研究の下で最近研究が行われています。このプログラムの下で音響の専門家が行った研究では、周波数成分を含むソニックブームの構成をより詳しく調べ始めました。従来のソニックブーム「N」波のいくつかの特性は、地上のリスナーがそれをどの程度大きく、不快に感じるかに影響する可能性があります。コンコルドや軍用機によって生成されるような強力な N 波であっても、過圧の上昇時間が十分に長ければ、はるかに不快感が少なくなります。知覚音量と呼ばれる新しい測定基準が登場し、PLdB で測定されます。これは、周波数成分、上昇時間などを考慮に入れます。よく知られている例としては、指を鳴らす音がありますが、その場合の「知覚される」音は、単に不快なだけです。

ソニックブームのエネルギー範囲は、亜音速航空機、銃声、およびほとんどの産業騒音のかなり低い0.1～100ヘルツの周波数範囲に集中しています。ソニックブームの持続時間は短く、1 秒未満、ほとんどの戦闘機サイズの航空機では 100 ミリ秒 (0.1 秒)、スペースシャトルまたはコンコルドジェット旅客機では 500 ミリ秒です。ソニックブームの経路の強度と幅は、航空機の物理的特性と運用方法によって異なります。一般に、航空機の高度が高いほど、地上での過剰圧力は低くなります。高度が高くなるとブームの横方向の広がりも大きくなり、より広い領域がブームにさらされます。ただし、ソニックブームの影響エリアの過剰圧力は均一ではありません。ブームの強度は飛行経路の真下で最大になり、航空機の飛行経路から水平距離が離れるにつれて徐々に弱まります。ブームの露出エリアの地上幅は、高度 1,000 フィート (300 m) ごとに約 1 法定マイル (1.6 km) です (幅は高度の約 5 倍)。つまり、30,000 フィート (9,100 m) で超音速飛行する航空機は、約 30 マイル (48 km) のブームの横方向の広がりを作り出します。安定した超音速飛行の場合、ブームは超音速と高度を維持する航空機とともに移動するため、カーペットブームと呼ばれます。急降下、加速、または旋回などの一部の操作により、ブームの焦点が合う場合があります。減速や上昇などの他の操作により、衝撃の強さが軽減される場合があります。場合によっては、気象条件によりソニックブームが歪むことがあります。^[6]

航空機の高度に応じて、ソニックブームは飛行後 2 ～ 60 秒で地面に到達します。ただし、すべてのブーム音が地上レベルで聞こえるわけではありません。どの高度でも、音速は気温の関数です。気温が下がったり上がったりすると、それに応じて音速も下がったり上がったりします。標準大気条件下では、高度が上がると気温も下がります。たとえば、海面温度が華氏 59 度 (摂氏 15 度) の場合、高度 30,000 フィート (9,100 メートル) では気温が華氏マイナス 49 度 (摂氏 -45 度) まで下がります。この温度勾配により、音波は上向きに曲げられます。したがって、ブーム音が地面に到達するには、航空機の地上に対する速度が地上の音速よりも大きくなければなりません。例えば、高度30,000フィート（9,100メートル）での音速は時速約670マイル（1,080キロメートル/時）ですが、地上で爆音が聞こえるためには航空機は少なくとも時速750マイル（1,210キロメートル/時）（マッハ1.12）で移動する必要があります。^[6]

大気の組成も要因の 1 つです。気温の変化、湿度、大気汚染、風はすべて、地上でのソニックブームの感じ方に影響します。地面自体もソニックブームの音に影響を与えることがあります。コンクリート、舗装、大きな建物などの硬い表面は、ソニックブームの音を増幅させる反射を引き起こす可能性があります。同様に、草地や豊かな葉は、ソニックブームの過圧の強さを弱めるのに役立ちます。

現在、ソニックブームの許容度に関する業界標準は存在しない。しかし、ソニックブームによって発生する騒音に対する人間の反応を理解するのに役立つ指標を作成する作業が進行中である。^[15]さらなる研究または超音速飛行テストを通じてそのような指標が確立されるまで、米国を含むいくつかの国で現在施行されている超音速飛行の禁止を解除する法律が制定されるかどうかは疑わしい。

ブルウィップ

鞭を正しく振るったときに鳴るパチパチという音は、実は小さなソニックブームである。「クラッカー」と呼ばれる鞭の先端が音速よりも速く動くため、ソニックブームが発生する。^[2]

鞭は、柄の部分からクラッカーにかけて細くなっています。クラッカーの質量は柄の部分よりはるかに小さいです。鞭を激しく振ると、運動量は先細りの鞭の長さに沿って伝わり、質量の減少分は速度の増加で補われます。ゴリーリーとマクミレンは、この物理的な説明は複雑で、ループが張力を受けて先細りのフィラメントに沿って移動する仕組みが関係していることを示しました。^[16]

参照

参考文献

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外部リンク

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