Mengapakah Dentuman Sonik Kedengaran Selepas Pesawat Sudah Melintas?

Bunyi dan gangguan tekanan merambat melalui udara pada kelajuan terhingga. Jika sumber bergerak lebih perlahan daripada bunyi, gangguan yang dihasilkannya boleh merambat ke hadapan sumber. Namun apabila pesawat bergerak secara supersonik, ia bergerak lebih pantas daripada gangguan tekanan kecil dapat merambat ke hadapan melalui udara. Dalam keadaan ini gelombang kejutan terbentuk di sekeliling pesawat dan memanjang ke belakang, dengan bentuk yang bergantung pada geometri pesawat dan keadaan aliran udara.

Kelajuan bunyi ialah kelajuan penyebaran gangguan

Apabila sesuatu objek bergerak melalui udara, ia mengganggu tekanan, ketumpatan dan gerakan udara di sekelilingnya. Gangguan kecil boleh merambat melalui gas pada kelajuan bunyi. Nilai kelajuan bunyi bukan satu pemalar universal kerana ia bergantung pada medium dan keadaan medium. Dalam udara, suhu merupakan faktor penting. Dalam udara kering, kelajuan bunyi kira-kira 331 m/s pada 0 °C dan kira-kira 343 m/s pada 20 °C, dan nilai sebenar berubah mengikut keadaan atmosfera.

Untuk membandingkan kelajuan objek dengan kelajuan bunyi setempat, ahli fizik dan jurutera menggunakan nombor Mach, M = v/a, dengan v kelajuan objek relatif terhadap udara dan a kelajuan bunyi setempat. Jika M < 1, gerakan itu subsonik. Sekitar M = 1, aliran berada dalam rejim transonik, dan jika M > 1, gerakan itu supersonik.

Apakah yang berubah apabila pesawat lebih pantas daripada bunyi?

Bayangkan pesawat menghasilkan gangguan pada banyak kedudukan sepanjang laluannya. Pada kelajuan subsonik, setiap gangguan mempunyai masa untuk merambat ke hadapan sebelum pesawat sampai ke kawasan itu, maka pesawat kekal di dalam lingkungan gelombang yang telah dihasilkannya. Pada kelajuan supersonik, keadaan geometri berubah. Pesawat bergerak lebih jauh daripada jarak yang boleh ditempuh gangguan bunyi dalam tempoh yang sama, dan gangguan daripada kedudukan terdahulu membentuk suatu selubung berbentuk kon di belakang objek.

Untuk gangguan kecil ideal, sudut Mach μ memenuhi sin μ = a/v = 1/M, maka semakin besar nombor Mach, semakin kecil sudut Mach tersebut. Namun kon Mach ideal tidak boleh disamakan begitu sahaja dengan setiap gelombang kejutan sebenar pada pesawat. NASA menegaskan bahawa gelombang Mach dalam model gangguan kecil dan gelombang kejutan akibat aliran sebenar di sekeliling objek bukan perkara yang sama sepenuhnya, dan sudut kejutan sebenar turut bergantung pada bentuk objek dan keadaan aliran.

Dari mana datangnya dentuman?

Pada aliran supersonik, perubahan tekanan boleh tertumpu pada gelombang kejutan. Merentasi kejutan, sifat aliran seperti tekanan, ketumpatan dan suhu boleh berubah dengan mendadak, dan NASA menerangkan bahawa kejutan mempengaruhi daya angkat, seretan dan keadaan aliran selepas gelombang tersebut. Apabila struktur kejutan yang memanjang daripada pesawat sampai kepada seseorang di darat, orang itu mengalami perubahan tekanan yang pantas, dan telinga mentafsirkannya sebagai dentuman sonik. Smithsonian menerangkan dentuman ini sebagai bunyi akibat perubahan tekanan udara yang mendadak dan seketika apabila gelombang kejutan melintasi pemerhati.

Jadi dentuman itu tidak semestinya didengar ketika pesawat tepat di atas kepala. NASA menunjukkan bahawa bagi sumber supersonik, sumber boleh sudah berada jauh di hadapan pemerhati sebelum gelombang kejutan sampai kepadanya.

Bukan satu letupan ketika melepasi Mach 1

Ungkapan "memecahkan penghalang bunyi" mudah menimbulkan gambaran bahawa pesawat menghasilkan satu letupan tepat ketika kelajuannya berubah daripada bawah Mach 1 kepada atas Mach 1. Itu bukan gambaran fizik yang tepat. Selagi pesawat terbang secara supersonik dan menghasilkan sistem gelombang kejutan, struktur tersebut bergerak bersamanya. NASA menerangkan bahawa dentuman sonik di permukaan boleh terhasil sepanjang laluan penerbangan supersonik, seperti jejak yang bergerak bersama pesawat. Oleh itu orang di lokasi berlainan boleh mengalami dentuman pada masa berlainan ketika sistem kejutan melintasi mereka.

Mengapa kadangkala terdengar lebih daripada satu dentuman?

Pesawat sebenar bukan sumber titik tunggal. Hidung, sayap, salur masuk udara, ekor dan bahagian lain boleh menghasilkan perubahan tekanan yang berlainan. Pada jarak tertentu, beberapa kejutan boleh bergabung menjadi corak tekanan yang lebih ringkas, dan dentuman klasik pesawat supersonik sering dikaitkan dengan kenaikan tekanan di bahagian hadapan dan perubahan lain berhampiran bahagian belakang pesawat. Bentuk sebenar "tanda tangan" tekanan bergantung pada geometri pesawat, kelajuan, ketinggian dan keadaan atmosfera, maka "dentuman sonik" tidak bermaksud semua pesawat supersonik mesti menghasilkan satu bunyi tunggal yang sama kuat dan sama bentuk.