Un estampido sónico es un sonido asociado a ondas de choque que se crea cuando un objeto viaja por el aire a una velocidad superior a la del sonido . Los estampidos sónicos generan enormes cantidades de energía sonora , que suenan similares a una explosión o a un trueno para el oído humano.
El ruido de una bala supersónica que pasa por encima o el chasquido de un látigo son ejemplos de un estampido sónico en miniatura. [2]
Las explosiones sónicas producidas por los grandes aviones supersónicos pueden ser especialmente fuertes y alarmantes, tienden a despertar a las personas y pueden causar daños menores a algunas estructuras . Esto llevó a la prohibición de los vuelos supersónicos rutinarios sobre tierra. Aunque no se pueden evitar por completo, las investigaciones sugieren que con un diseño cuidadoso del vehículo, las molestias causadas por las explosiones sónicas pueden reducirse hasta el punto de que los vuelos supersónicos sobre tierra pueden convertirse en una opción viable. [3] [4]
El estampido sónico no se produce únicamente en el momento en que un objeto cruza la barrera del sonido ni se oye en todas las direcciones que emanan del objeto supersónico, sino que es un efecto continuo que se produce mientras el objeto se desplaza a velocidades supersónicas y afecta únicamente a los observadores que se encuentran en un punto que intersecta una región en forma de cono geométrico detrás del objeto. A medida que el objeto se mueve, esta región cónica también se mueve detrás de él y cuando el cono pasa por encima del observador, este experimentará brevemente el "estruendo".
Cuando un avión pasa por el aire, crea una serie de ondas de presión delante y detrás del avión, similares a las ondas de proa y popa creadas por un barco. Estas ondas viajan a la velocidad del sonido y, a medida que aumenta la velocidad del objeto, las ondas se ven obligadas a unirse, o comprimidas, porque no pueden alejarse unas de otras con la suficiente rapidez. Finalmente, se fusionan en una sola onda de choque, que viaja a la velocidad del sonido, una velocidad crítica conocida como Mach 1 , que es aproximadamente 1192 km/h (741 mph) a nivel del mar y 20 °C (68 °F).
En un vuelo suave, la onda de choque comienza en el morro del avión y termina en la cola. Debido a que las diferentes direcciones radiales alrededor de la dirección de desplazamiento del avión son equivalentes (dada la condición de "vuelo suave"), la onda de choque forma un cono de Mach , similar a un cono de vapor , con el avión en su punta. El semiángulo entre la dirección de vuelo y la onda de choque viene dado por:
donde es el inverso del número de Mach del avión . Por lo tanto, cuanto más rápido viaja el avión, más fino y puntiagudo es el cono.
Se produce un aumento de la presión en la nariz, que disminuye de forma constante hasta una presión negativa en la cola, seguida de un retorno repentino a la presión normal después de que el objeto pasa. Este " perfil de sobrepresión " se conoce como onda N debido a su forma. El "estruendo" se experimenta cuando hay un cambio repentino en la presión; por lo tanto, una onda N causa dos estruendos: uno cuando el aumento de presión inicial alcanza a un observador y otro cuando la presión vuelve a la normalidad. Esto da lugar a un "doble estruendo" característico de un avión supersónico. Cuando el avión está maniobrando, la distribución de la presión cambia a diferentes formas, con una forma característica de onda U.
Dado que el estruendo se genera continuamente mientras el avión se encuentra en velocidad supersónica, llena un camino estrecho en el suelo siguiendo la trayectoria de vuelo del avión, un poco como una alfombra roja que se desenrolla , y por eso se la conoce como alfombra de estruendo . Su ancho depende de la altitud del avión. La distancia desde el punto en el suelo donde se escucha el estruendo hasta el avión depende de su altitud y del ángulo .
En las aeronaves supersónicas actuales, en condiciones normales de funcionamiento, la sobrepresión máxima varía de menos de 50 a 500 Pa (1 a 10 psf (libra por pie cuadrado)) para un estampido sónico de ondas N. Las sobrepresiones máximas para las ondas U se amplifican de dos a cinco veces en comparación con las ondas N, pero esta sobrepresión amplificada afecta solo a un área muy pequeña en comparación con el área expuesta al resto del estampido sónico. El estampido sónico más fuerte jamás registrado fue de 7000 Pa (144 psf) y no causó lesiones a los investigadores que estuvieron expuestos a él. El estampido fue producido por un F-4 que volaba justo por encima de la velocidad del sonido a una altitud de 100 pies (30 m). [5] En pruebas recientes, el estampido máximo medido durante condiciones de vuelo más realistas fue de 1010 Pa (21 psf). Existe la probabilidad de que un estampido sónico produzca algún daño (por ejemplo, vidrios rotos). Los edificios en buenas condiciones no deberían sufrir daños con presiones de 530 Pa (11 psf) o menos. Y, por lo general, la exposición de la comunidad al estampido sónico es inferior a 100 Pa (2 psf). El movimiento del suelo resultante del estampido sónico es poco frecuente y está muy por debajo de los umbrales de daño estructural aceptados por la Oficina de Minas de los Estados Unidos y otras agencias. [6]
La potencia o volumen de la onda de choque depende de la cantidad de aire que se acelera y, por lo tanto, del tamaño y la forma del avión. A medida que el avión aumenta la velocidad, el cono de choque se estrecha alrededor del avión y se debilita hasta el punto de que, a velocidades y altitudes muy altas, no se oye ningún estruendo. La "longitud" del estruendo de adelante hacia atrás depende de la longitud del avión a la 3/2. Por lo tanto, los aviones más largos "extienden" sus estruendos más que los más pequeños, lo que da lugar a un estruendo menos potente. [7]
Se pueden formar varias ondas de choque más pequeñas, y normalmente se forman, en otros puntos del avión, principalmente en los puntos convexos o curvas, en el borde de ataque del ala y, especialmente, en la entrada de los motores. Estas ondas de choque secundarias son causadas por el aire que se ve obligado a girar alrededor de estos puntos convexos, lo que genera una onda de choque en un flujo supersónico .
Las últimas ondas de choque son algo más rápidas que las primeras, viajan más rápido y se suman a la onda de choque principal a cierta distancia del avión para crear una forma de onda N mucho más definida. Esto maximiza tanto la magnitud como el "tiempo de ascenso" de la onda de choque, lo que hace que el estampido parezca más fuerte. En la mayoría de los diseños de aeronaves, la distancia característica es de unos 40.000 pies (12.000 m), lo que significa que por debajo de esta altitud el estampido sónico será "más suave". Sin embargo, la resistencia a esta altitud o por debajo hace que el viaje supersónico sea particularmente ineficiente, lo que plantea un problema grave.
Los aviones supersónicos son aquellos que pueden alcanzar velocidades superiores a Mach 1, que es la velocidad del sonido. "Los supersónicos incluyen velocidades hasta cinco veces superiores a Mach 5, o Mach 5" (Dunbar, 2015). El kilometraje máximo por hora de un avión supersónico normalmente oscila entre 700 y 1500 millas por hora (1100 y 2400 km/h). Normalmente, la mayoría de los aviones no superan las 1500 mph (2414 km/h). Existen muchas variantes de aviones supersónicos. Algunos modelos de aviones supersónicos utilizan una aerodinámica mejor diseñada que permite algunos sacrificios en la aerodinámica del modelo para la potencia del propulsor. Otros modelos utilizan la eficiencia y la potencia del propulsor para permitir que un modelo menos aerodinámico alcance velocidades mayores. Un modelo típico que se encuentra en uso militar en los Estados Unidos oscila entre una media de 13 y 35 millones de dólares estadounidenses.
La presión de las explosiones sónicas provocadas por los aviones suele ser de unos pocos kilos por metro cuadrado. Un vehículo que vuela a mayor altitud generará menores presiones en el suelo porque la onda de choque se reduce en intensidad a medida que se extiende alejándose del vehículo, pero las explosiones sónicas se ven menos afectadas por la velocidad del vehículo.
A finales de los años 50, cuando se buscaban activamente diseños de transporte supersónico (SST), se pensaba que, aunque el boom sería muy grande, los problemas podrían evitarse volando a mayor altura. Esta suposición se demostró falsa cuando el North American XB-70 Valkyrie voló por primera vez y se descubrió que el boom era un problema incluso a 70.000 pies (21.000 m). Fue durante estas pruebas que se caracterizó por primera vez la onda N.
Richard Seebass y su colega Albert George de la Universidad de Cornell estudiaron el problema en profundidad y finalmente definieron una " figura de mérito " (FM) para caracterizar los niveles de estruendo sónico de diferentes aeronaves. La FM es una función del peso y la longitud de la aeronave. Cuanto menor sea este valor, menos estruendo genera la aeronave, y se consideran aceptables valores de alrededor de 1 o menos. Utilizando este cálculo, encontraron valores de FM de alrededor de 1,4 para el Concorde y de 1,9 para el Boeing 2707. Esto acabó condenando al fracaso a la mayoría de los proyectos de SST, ya que el resentimiento público, mezclado con la política, acabó dando lugar a leyes que hacían que cualquier aeronave de ese tipo fuera menos útil (por ejemplo, volar a velocidades supersónicas sólo sobre el agua). Los diseños de aviones pequeños, como los jets comerciales, son los preferidos y tienden a producir estruendos mínimos o nulos. [7]
Basándose en la investigación anterior de LB Jones, [9] Seebass y George identificaron condiciones en las que las ondas de choque del estampido sónico podrían eliminarse. Este trabajo fue ampliado por Christine. M. Darden [10] [11] y descrito como la teoría de Jones-Seebass-George-Darden de minimización del estampido sónico . [7] Esta teoría, abordó el problema desde un ángulo diferente, tratando de extender la onda N lateralmente y temporalmente (longitudinalmente), produciendo un choque fuerte y enfocado hacia abajo ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) en un cono de nariz agudo, pero de ángulo amplio, que viajará a una velocidad ligeramente supersónica ( choque de proa ), y usando un ala voladora en flecha hacia atrás o un ala voladora oblicua para suavizar este choque a lo largo de la dirección de vuelo (la cola del choque viaja a velocidad sónica). Para adaptar este principio a los aviones existentes, que generan un choque en el cono de la nariz y otro aún más fuerte en el borde de ataque del ala, el fuselaje debajo del ala se moldea según la regla del área . Idealmente, esto elevaría la altitud característica de 40.000 pies (12.000 m) a 60.000 pies (de 12.000 m a 18.000 m), que es donde se esperaba que volaran la mayoría de los aviones SST. [7]
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Esto permaneció sin probar durante décadas, hasta que DARPA inició el proyecto Quiet Supersonic Platform y financió el avión Shaped Sonic Boom Demonstration (SSBD) para probarlo. SSBD utilizó un F-5 Freedom Fighter . El F-5E fue modificado con una forma altamente refinada que alargó el morro hasta el modelo F-5F. El carenado se extendió desde el morro hacia atrás hasta las entradas en la parte inferior de la aeronave. El SSBD se probó durante dos años que culminaron en 21 vuelos y fue un estudio extenso sobre las características del boom sónico. Después de medir las 1.300 grabaciones, algunas tomadas dentro de la onda de choque por un avión de persecución , el SSBD demostró una reducción del boom de aproximadamente un tercio. Aunque un tercio no es una reducción enorme, podría haber reducido el boom del Concorde a un nivel aceptable por debajo de FM = 1.
Como continuación del SSBD, en 2006 un equipo de la NASA y Gulfstream Aerospace probó el Quiet Spike en el avión F-15B 836 de la NASA Dryden. El Quiet Spike es un brazo telescópico que se coloca en el morro de un avión y está diseñado específicamente para debilitar la fuerza de las ondas de choque que se forman en el morro del avión a velocidades supersónicas. Se realizaron más de 50 vuelos de prueba. Varios de ellos incluyeron el sondeo de las ondas de choque por parte de un segundo avión F-15B, el banco de pruebas del Sistema de Control de Vuelo Inteligente de la NASA , el avión 837.
Algunos diseños teóricos no parecen crear explosiones sónicas en absoluto, como el biplano Busemann . Sin embargo, la creación de una onda de choque es inevitable si genera sustentación aerodinámica. [7]
En 2018, la NASA le otorgó a Lockheed Martin un contrato de 247,5 millones de dólares para construir un diseño conocido como Low Boom Flight Demonstrator , que tiene como objetivo reducir el estruendo al sonido de la puerta de un automóvil al cerrarse. [12] A partir de octubre de 2023, se esperaba que el primer vuelo fuera en 2024. [13]
El sonido de un estampido sónico depende en gran medida de la distancia entre el observador y la forma de la aeronave que lo produce. Un estampido sónico suele oírse como un doble "estruendo" profundo, ya que la aeronave suele estar a cierta distancia. El sonido es muy parecido al de las bombas de mortero , que se utilizan habitualmente en los espectáculos de fuegos artificiales . Es un error común pensar que solo se genera un estampido durante la transición de subsónico a supersónico; en cambio, el estampido es continuo a lo largo de la alfombra de estampido durante todo el vuelo supersónico. Como dice un ex piloto del Concorde: "En realidad no se oye nada a bordo. Todo lo que vemos es la onda de presión que se desplaza por el avión, que indica los instrumentos. Y eso es lo que vemos alrededor de Mach 1. Pero no oímos el estampido sónico ni nada parecido. Es más bien como la estela de un barco: está detrás de nosotros". [14]
En 1964, la NASA y la Administración Federal de Aviación comenzaron las pruebas de estampido sónico en Oklahoma City , que provocaron ocho estampido sónico por día durante seis meses. Se obtuvieron datos valiosos del experimento, pero se generaron 15.000 quejas y, en última instancia, el gobierno se vio envuelto en una demanda colectiva , que perdió en apelación en 1969.
Las explosiones sónicas también fueron una molestia en el norte de Cornualles y el norte de Devon, en el Reino Unido, ya que estas zonas se encontraban por debajo de la trayectoria de vuelo del Concorde. Las ventanas vibraban y, en algunos casos, las " llamas " (que apuntaban hacia abajo de las tejas del techo) se desprendían con la vibración.
Recientemente se han realizado trabajos en este ámbito, en particular en el marco de los estudios de la Plataforma Supersónica Silenciosa de la DARPA. Las investigaciones realizadas por expertos en acústica en el marco de este programa comenzaron a estudiar más de cerca la composición de los estampidos sónicos, incluido el contenido de frecuencia. Varias características de la onda "N" del estampido sónico tradicional pueden influir en lo fuerte e irritante que puede ser percibida por los oyentes en tierra. Incluso las ondas N fuertes, como las generadas por el Concorde o los aviones militares, pueden ser mucho menos objetables si el tiempo de ascenso de la sobrepresión es lo suficientemente largo. Ha surgido una nueva métrica, conocida como sonoridad percibida , medida en PLdB. Esta tiene en cuenta el contenido de frecuencia, el tiempo de ascenso, etc. Un ejemplo bien conocido es el chasquido de los dedos en el que el sonido "percibido" no es más que una molestia.
El rango de energía del estampido sónico se concentra en el rango de frecuencia de 0,1 a 100 hercios , que es considerablemente inferior al de los aviones subsónicos, los disparos y la mayoría de los ruidos industriales . La duración del estampido sónico es breve: menos de un segundo, 100 milisegundos (0,1 segundo) para la mayoría de los aviones de combate y 500 milisegundos para el transbordador espacial o el avión de pasajeros Concorde. La intensidad y el ancho de la trayectoria del estampido sónico dependen de las características físicas de la aeronave y de cómo se opera. En general, cuanto mayor es la altitud de una aeronave, menor es la sobrepresión en el suelo. Una mayor altitud también aumenta la extensión lateral del estampido, exponiendo un área más amplia al estampido. Sin embargo, las sobrepresiones en el área de impacto del estampido sónico no serán uniformes. La intensidad del estampido es mayor directamente debajo de la trayectoria de vuelo, debilitándose progresivamente a medida que aumenta la distancia horizontal desde la trayectoria de vuelo de la aeronave. El ancho del área de exposición del boom es de aproximadamente 1 milla terrestre (1,6 km) por cada 1000 pies (300 m) de altitud (el ancho es aproximadamente cinco veces la altitud); es decir, un avión que vuela a una velocidad supersónica a 30 000 pies (9100 m) creará una expansión lateral del boom de aproximadamente 30 millas (48 km). Para un vuelo supersónico constante, el boom se describe como un boom de alfombra, ya que se mueve con el avión mientras mantiene la velocidad y la altitud supersónicas. Algunas maniobras, como el picado, la aceleración o el giro, pueden hacer que el boom se enfoque. Otras maniobras, como la desaceleración y el ascenso, pueden reducir la fuerza del impacto. En algunos casos, las condiciones climáticas pueden distorsionar los estampidos sónicos. [6]
Dependiendo de la altitud del avión, las explosiones sónicas llegan al suelo entre 2 y 60 segundos después de sobrevolarlo. Sin embargo, no todas las explosiones se oyen a nivel del suelo. La velocidad del sonido a cualquier altitud es una función de la temperatura del aire. Una disminución o un aumento de la temperatura da como resultado una disminución o un aumento correspondiente de la velocidad del sonido. En condiciones atmosféricas estándar, la temperatura del aire disminuye con el aumento de la altitud. Por ejemplo, cuando la temperatura al nivel del mar es de 59 grados Fahrenheit (15 °C), la temperatura a 30.000 pies (9.100 m) cae a menos 49 grados Fahrenheit (−45 °C). Este gradiente de temperatura ayuda a curvar las ondas sonoras hacia arriba. Por lo tanto, para que una explosión llegue al suelo, la velocidad del avión en relación con el suelo debe ser mayor que la velocidad del sonido en el suelo. Por ejemplo, la velocidad del sonido a 30.000 pies (9.100 m) es de aproximadamente 670 millas por hora (1.080 km/h), pero un avión debe viajar al menos a 750 millas por hora (1.210 km/h) (Mach 1,12) para que se escuche un estruendo en tierra. [6]
La composición de la atmósfera también es un factor. Las variaciones de temperatura, la humedad , la contaminación atmosférica y los vientos pueden afectar la forma en que se percibe un estampido sónico en el suelo. Incluso el propio suelo puede influir en el sonido de un estampido sónico. Las superficies duras como el hormigón , el pavimento y los edificios grandes pueden provocar reflejos que pueden amplificar el sonido de un estampido sónico. Del mismo modo, los campos de hierba y el follaje profuso pueden ayudar a atenuar la fuerza de la sobrepresión de un estampido sónico.
En la actualidad, no existen normas aceptadas por la industria que determinen la aceptabilidad de un estampido sónico. Sin embargo, se está trabajando para crear parámetros que ayuden a comprender cómo responden los seres humanos al ruido generado por los estampidos sónicos. [15] Hasta que se puedan establecer dichos parámetros, ya sea mediante estudios adicionales o pruebas de sobrevuelo supersónico, es dudoso que se promulgue una legislación para eliminar la prohibición actual de sobrevuelo supersónico vigente en varios países, incluido Estados Unidos.
El chasquido que produce un látigo cuando se lo utiliza correctamente es, de hecho, un pequeño estampido sónico. El extremo del látigo, conocido como "chasquido", se mueve más rápido que la velocidad del sonido, lo que crea un estampido sónico. [2]
Un látigo se estrecha desde la sección del mango hasta el cascanueces. El cascanueces tiene mucha menos masa que la sección del mango. Cuando el látigo se balancea bruscamente, el impulso se transfiere a lo largo del látigo que se estrecha, y la masa decreciente se compensa con el aumento de la velocidad. Goriely y McMillen demostraron que la explicación física es compleja, ya que implica la forma en que un bucle se desplaza por un filamento cónico bajo tensión. [16]
