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ソニックブームとは、物体が音速よりも速く空気中を移動する際に発生する衝撃波に伴う音のことです。ソニックブームは膨大な量の音響エネルギーを発生させ、人間の耳には爆発音や雷鳴のように聞こえます。
頭上を通過する超音速弾の破裂音、牛鞭の破裂音、丸めたタオルのパチンという音はすべて、小さなソニックブームの例である。[ 2 ]
大型超音速航空機によるソニックブームは、特に大きく、人を驚かせ、人々を起こし、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、陸上での定期的な超音速飛行は禁止されました。ソニックブームを完全に防ぐことはできませんが、機体の形状を注意深く設計することで、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研究で示唆されています。[ 3 ] [ 4 ]
ソニックブームは、物体が音速の壁を越える瞬間にのみ発生するものではなく、また、超音速物体からあらゆる方向に響き渡るものでもありません。むしろ、ソニックブームは物体が超音速で移動している間ずっと続く現象であり、物体の後方にある幾何学的な円錐形の領域と交差する地点にいる観測者のみに影響を与えます。物体が移動すると、この円錐形の領域も物体の後方に移動し、円錐が観測者の上を通過する際に、観測者は短時間「ブーム」を体験することになります。
航空機が空中を通過する際、船の船首波と船尾波と同様に、機体の前方と後方に一連の圧力波が発生します。これらの波は音速で伝播し、物体の速度が増加するにつれて、波は互いに十分に速やかに離れることができないため、押し合わされて圧縮されます。最終的に、それらは単一の衝撃波に合体し、音速で伝播します。この衝撃波はマッハ1と呼ばれる臨界速度で、海面高度、20 ℃（68 °F）では約1,192 km/h（741 mph）です。
滑らかな飛行では、衝撃波は機首から始まり、尾部で終わります。機体の進行方向の周りの異なる半径方向は等価であるため（「滑らかな飛行」条件の場合）、衝撃波は、機体を先端とする蒸気円錐に似たマッハ円錐を形成します。半角飛行方向と衝撃波との間の距離は、次式で与えられる。
どこ 逆飛行機のマッハ数つまり、飛行機の速度が速くなるほど、円錐はより細く、より尖った形になる。
機首では圧力が上昇し、尾部では徐々に低下して負圧になり、物体が通過した後に急激に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波として知られています。「ブーム」は圧力が急激に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つは圧力が通常の圧力に戻ったときです。これにより、超音速機からは特徴的な「ダブルブーム」が発生します。航空機が操縦しているときは、圧力分布はさまざまな形状に変化し、特徴的なU波の形状になります。
航空機が超音速飛行している限り、轟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帯状の空間を形成します。まるで赤い絨毯が広がるようなもので、そのため「轟音絨毯」と呼ばれています。その幅は航空機の高度によって変化します。轟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決まります。。
今日の超音速航空機の通常の運用条件下では、 N波のソニックブームのピーク過圧は50～500 Pa （1～10 psf（ポンド/平方フィート））未満です。U波のピーク過圧はN波の2～5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、非常に小さな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、これにさらされた研究者に怪我はありませんでした。このブームは、高度100フィート（30 m）で音速のすぐ上を飛行する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下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何らかの損傷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、一般的に、ソニックブームによる地域住民の被害は 100 Pa (2 psf) 未満です。ソニックブームによる地盤の揺れはまれであり、米国鉱山局やその他の機関が認める構造的損傷の閾値をはるかに下回っています。[ 6 ]
衝撃波のパワー、つまり体積は、加速される空気の量、つまり航空機の大きさや形状に依存します。航空機の速度が上がると、衝撃波の円錐は機体の周囲でより狭くなり、非常に高速かつ高高度ではブームが聞こえなくなるほど弱くなります。ブームの前後方向の「長さ」は、航空機の長さの 3/2 乗に依存します。したがって、長い航空機は短い航空機よりもブームを「広げる」ため、ブームのパワーは弱くなります。[ 7 ]
航空機の他の箇所、特に凸部や曲線部、前翼縁、そしてエンジンの吸気口などでは、より小さな衝撃波が複数発生する可能性があり、実際によく発生します。これらの二次衝撃波は、空気がこれらの凸部を迂回するように強制されることで発生し、超音速流の中で衝撃波を生み出します。
後続の衝撃波は最初の衝撃波よりもやや速く、より速く伝播し、航空機からある程度離れた場所で主衝撃波に加わり、より明確なN字型の波を形成します。これにより、衝撃波の大きさと「立ち上がり時間」の両方が最大化され、ソニックブームがより大きく聞こえるようになります。ほとんどの航空機の設計では、この特徴的な距離は約40,000フィート（12,000メートル）であり、この高度より下ではソニックブームは「柔らかく」なります。しかし、この高度以下では抗力が大きいため、超音速飛行は特に非効率になり、深刻な問題となります。
超音速航空機とは、音速を指すマッハ 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 5 倍、つまりマッハ 5 までの速度が含まれます。」[ 8 ]超音速航空機の最高速度は通常、時速 700 ～ 1,500 マイル (1,100 ～ 2,400 km/h)の範囲です。[ 9 ]通常、ほとんどの航空機は1,500 mph (2,414 km/h)を超えることはありません。 [ 10 ]超音速航空機には多くの種類があります。一部の超音速航空機モデルは、より優れた空力設計を利用して、スラスタ出力のためにモデルの空力特性を多少犠牲にしています。他のモデルは、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を達成できるようにしています。[ 11 ]
航空機が引き起こすソニックブームによる圧力は、通常、1平方フィートあたり数ポンドにも達する。より高高度を飛行する車両は、衝撃波が車両から離れるにつれて強度が弱まるため、地上にかかる圧力は低くなるが、ソニックブームは車両の速度の影響をあまり受けない。
1950年代後半、超音速輸送機（SST）の設計が精力的に進められていた頃、ブームは非常に大きくなるものの、より高高度を飛行することで問題を回避できると考えられていた。しかし、ノースアメリカンXB-70ヴァルキリーが初飛行した際にこの考えは誤りであることが証明され、70,000フィート（21,000メートル）の高度でもブームが問題となることが判明した 。N波が初めて特性評価されたのは、これらの試験飛行中のことであった。
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は航空機の重量と長さの関数です。この値が低いほど、航空機が発生させるブームは少なくなり、約1以下の数値が許容範囲内とみなされます。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が約1.9であることを発見しました。これは最終的に、世論の反発と政治が混ざり合い、そのような航空機の有用性を低下させる法律（たとえば、水上のみ超音速飛行）につながるため、ほとんどのSSTプロジェクトを失敗に終わらせました。ビジネスジェットのような小型飛行機の設計が好まれ、可聴のブームをほとんど、またはまったく発生させない傾向があります。[ 7 ]
LB Jones [ 13 ]、Seebass、および George の以前の研究に基づいて、ソニック ブームの衝撃波をなくすことができる条件を特定しました。この研究は Christine M. Darden [ 14 ] [ 15 ]によって拡張され、 Jones-Seebass-George-Darden ソニック ブーム最小化理論として説明されました。[ 7 ]この理論は、鋭角だが広角のノーズ コーンで強力で下向きに集中した ( SR-71 Blackbird、Boeing X-43 ) 衝撃波をわずかに超音速で移動する (バウ ショック) ことによって、N 波を横方向および時間的 (縦方向) に広げようとし、後退翼または斜め翼を使用して、飛行方向に沿ってこの衝撃波を滑らかにします (衝撃波の尾部は音速で移動します)。この原理を、機首コーンで衝撃波を、翼前縁でさらに強い衝撃波を発生させる既存の航空機に適用するために、翼の下の胴体は面積法則に従って形状が作られる。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、これはほとんどのSST航空機が飛行すると予想されていた高度である。[ 7 ]
これは何十年もの間テストされずにいましたが、DARPAが静音超音速プラットフォームプロジェクトを開始し、テストのために成形ソニックブーム実証機（SSBD）に資金を提供しました。SSBDはF-5フリーダムファイターを使用しました。F-5Eは高度に洗練された形状に改造され、機首がF-5Fモデルと同じ長さになりました。フェアリングは機首から機体下面の吸気口まで伸びています。SSBDは2年間にわたってテストされ、最終的に21回の飛行が行われ、ソニックブーム特性に関する広範な研究となりました。追跡機によって衝撃波内部で録音されたものを含む1,300の記録を測定した結果、SSBDはブームを約3分の1削減できることを示しました。3分の1は大きな削減ではありませんが、コンコルドのブームをFM=1以下の許容レベルまで削減できた可能性があります。
SSBDに続いて、2006年にNASAとガルフストリーム・エアロスペースのチームは、NASAドライデン飛行研究センターのF-15B航空機836号機でクワイエット・スパイクの試験を実施しました。クワイエット・スパイクは、航空機の機首に取り付けられる伸縮式ブームで、超音速で機首に発生する衝撃波の強度を弱めるように特別に設計されています。50回以上の試験飛行が行われました。いくつかの飛行では、NASAのインテリジェント飛行制御システム試験機である2機目のF-15B航空機837号機による衝撃波の調査も行われました。
ブーゼマン複葉機のように、ソニックブームを全く発生させないと思われる理論設計もある。しかし、空力揚力を発生させる場合は、衝撃波の発生は避けられない。[ 7 ]
2018年、NASAはロッキード・マーティンに2億4750万ドルの契約を与え、車のドアが閉まる音程度の低騒音飛行実証機と呼ばれる設計を製作させた。[ 16 ]ロッキード・マーティンがX-59 QueSSTと呼ぶこの航空機は、2025年10月28日に初飛行を行い、[ 17 ] 2026年4月5日現在、合計13回の試験飛行を実施した。[ 18 ]
ブーム・テクノロジー社は、オーバーチュアという名の商用超音速旅客機を開発しており、超音速航空機が低速で飛行している場合、発生する衝撃波が地上に到達しないというマッハカットオフと呼ばれる現象を利用することを目指している。2025年1月、ブーム社の実験機XB-1は、マッハ1.12までの速度に達する複数の試験飛行中に音速の壁を突破し（史上初の民間航空機となった）、いずれの場合も、XB-1の飛行経路下の地上レベルに設置されたマイクロホンによってソニックブームは検出されなかった。[ 19 ]
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左右されます。航空機は通常ある程度の距離にあるため、ソニックブームは通常、深く二重の「ブーム」として聞こえます。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ます。亜音速から超音速への移行中に1つのブームしか発生しないというのはよくある誤解です。実際には、ブームは超音速飛行全体にわたってブームカーペットに沿って連続しています。元コンコルドのパイロットは、「機内では実際には何も聞こえません。見えるのは飛行機を下っていく圧力波だけで、それが計器を示しています。マッハ1付近ではそれが見えます。しかし、ソニックブームやそれに類するものは何も聞こえません。それは船の航跡のようなもので、私たちの後ろにあります。」と述べています。[ 20 ]
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ヶ月間にわたり1日8回のソニックブームを発生させた。この実験から貴重なデータが得られたものの、1万5000件もの苦情が寄せられ、最終的には政府が集団訴訟に巻き込まれる事態となった。政府は1969年の控訴審で敗訴した。
イギリスの北コーンウォールと北デボンでは、コンコルドの大西洋横断飛行経路の真下に位置していたため、ソニックブームも厄介な問題だった。窓がガタガタと揺れ、場合によっては、屋根瓦の下のモルタル（トーチング）が振動で剥がれ落ちることもあった。
この分野では近年、特にDARPAの静音超音速プラットフォーム研究において研究が進められています。このプログラムの下で音響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についてより詳細に調べ始めました。従来のソニックブームの「N」波のいくつかの特性は、地上の聞き手が感じる音量や不快感に影響を与える可能性があります。コンコルドや軍用機が発生させるような強力なN波でさえ、過圧の立ち上がり時間が十分に長ければ、不快感ははるかに軽減されます。知覚される音量（PLdBで測定）と呼ばれる新しい指標が登場しました。これは、周波数成分、立ち上がり時間などを考慮に入れています。よく知られた例としては、指を鳴らす音があり、この場合「知覚される」音は単なる不快感に過ぎません。
ソニックブームのエネルギー範囲は、0.1～100ヘルツの周波数範囲に集中しており、これは亜音速航空機、銃声、およびほとんどの産業騒音よりもかなり低い周波数です。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）、スペースシャトルやコンコルド旅客機では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。一般的に、航空機の高度が高いほど、地上の過圧は低くなります。高度が高いほど、ブームの横方向の広がりも大きくなり、より広い範囲がブームにさらされます。ただし、ソニックブームの衝撃領域の過圧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となり、航空機の飛行経路から水平方向に離れるにつれて徐々に弱まります。ソニックブームの地上幅は、高度1,000 フィート (300 m )ごとに約1 マイル (1.6 km)です (幅は高度の約 5 倍です)。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)の横方向のブームの広がりを生み出します。安定した超音速飛行の場合、ブームは、航空機が超音速の速度と高度を維持するにつれて移動するため、カーペットブームと呼ばれます。急降下、加速、旋回などの操縦によって、ブームの焦点が定まることがあります。減速や上昇などの他の操縦によって、衝撃の強さが弱まることがあります。場合によっては、気象条件によってソニックブームが歪むことがあります。[ 6 ]
航空機の高度にもよりますが、ソニックブームは通過後2～60秒で地上に到達します。ただし、すべてのブームが地上で聞こえるわけではありません。どの高度において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、音速もそれに応じて下がったり上がったりします。標準的な大気条件下では、高度が上がるにつれて気温は下がります。例えば、海面の気温が華氏59度（摂氏15度）の場合、 30,000フィート（9,100メートル） の気温は華氏マイナス49度（摂氏マイナス45度）まで下がります。この温度勾配によって音波は上向きに曲がります。したがって、ブームが地上に到達するには、地上に対する航空機の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）での音速は約670マイル毎時（1,080 km/h）ですが、地上で爆発音が聞こえるためには、航空機は少なくとも750マイル毎時（1,210 km/h） （マッハ1.12）で飛行する必要があります。 [ 6 ]
大気の組成も要因の一つです。気温の変化、湿度、大気汚染、風などはすべて、地上でのソニックブームの聞こえ方に影響を与えます。地面そのもの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、舗装路、高層ビルなどの硬い表面は反射を起こし、ソニックブームの音を増幅させる可能性があります。逆に、草地や茂った木々は、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で認められた基準はありません。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められています。[ 21 ]さらなる研究または超音速飛行試験によってそのような指標が確立されるまでは、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です。
牛鞭のパキッという音は、小さなソニックブームです。鞭の先端、いわゆる「クラッカー」は音速よりも速く動くため、ソニックブームが発生します。[ 2 ]
牛鞭は柄の部分からクラッカーに向かって先細りになっている。クラッカーは柄の部分よりも質量がはるかに小さい。鞭を鋭く振ると、運動量は先細りの鞭の長さに沿って伝わり、質量の減少は速度の増加によって補われる。ゴリエリーとマクミレンは、物理的な説明は複雑で、張力のかかった先細りのフィラメントをループがどのように移動するかに関係していることを示した。[ 22 ]
