SONIC BOOM

posted on 10 May 2008 07:26 by onikan

การเกิด SONIC BOOM ของเครื่องบิน

Sonic Boom คือ เสียงดังเช่นเสียงฟ้าร้อง อันเกิดจากอากาศยานเคลื่อนผ่านอากาศเหนือศีรษะของเรา ด้วยความเร็วสูงกว่าความเร็วของเสียง

สาเหตุการเกิด Sonin Boom
คลื่นเสียงเกิดจากอากาศถูกกดดัน โดยต้นกำเนิดของเสียง จะกดดันอากาศให้เกิดความไม่สม่ำเสมอกัน (ในกรณีที่เสียงเคลื่อนผ่านอากาศ) โดยความกดดันที่ไม่สม่ำเสมอ
นี้จะเคลื่อนตัวผ่านอากาศจนกระทั่งมากระทบหูของเรา ซึ่งเราสามารถ sense ความแตกต่างของความกดดันนี้ แล้วแปลออกมาเป็นเสียงในสมองของเรา

F-18 C แสดง Sonic boom โดยส่วนที่เห็นขาวๆในภาพคือไอน้ำที่ควบแน่น (condensation)

เมื่อวัตถุเคลื่อนผ่านอากาศ เช่น เครื่องบินเคลื่อนตัวไปในอากาศ ก็จะดันและแยกอากาศออกเพื่อแทรกตัวเข้าไป โดยอากาศนอกจากจะถูกแยกออกแล้ว ก็ยังต้องไหลกลับ
ไปรวมตัวกันข้างหลังของเครื่องบิน เพื่อแทนที่ลำตัวของเครื่องบินที่ผ่านไปแล้ว การมุดตัวไปในอากาศก็ทำให้เกิดคลื่นรูปกรวยที่แหลมออกที่จมูกของเครื่องบิน โดยส่วน
ที่เป็นผิวของกรวยนี้แหละที่ก่อตัวเป็นสันคลื่นหรือ Shockwave

รูปแสดง Shockwave จากส่วนหัวของเครื่องบิน

ภาพถ่ายจากเครื่องบิน F18 ด้วยกรรมวิธีพิเศษที่ทำให้คลื่นปรากฏออกมาด้วย จะเห็นได้ว่าจะมี Shockwave เกิดขึ้นจาก
ส่วนที่ยื่นออกจากตัวเครื่องบิน

หากเครื่องบินเคลื่อนตัวด้วยความเร็วต่ำกว่าเสียง คลื่นเสียงอันเกิดจาก compressed air จาก Shockwave นี้ก็จะกระจายออกไปในทุกทิศทุกทาง เราก็จะได้ยินเสียงกระหึ่ม แต่เมื่อมันเคลื่อนตัวด้วยความเร็วเหนือเสียง ตัวเครื่องบินก็ไล่ทันคลื่นเสียงที่อยู่ข้างหน้า และก่อคลื่นใหม่ตามไป คลื่นพวกนี้ก็อัดซ้อนตัวเสริมกำลังกัน ทำให้มี
แรงกดดันมากกว่า noise ธรรมดาจึงเรียกว่า Sonic boom เพราะมันมีกำลังมาก

แต่ถ้าเครื่องบิน นั้นบินสูงๆ กว่าคลื่นจะลงมาถึงพื้นมันก็อ่อนตัวลงไปตามระยะทางแล้ว (decay) ทำให้เราได้ยินเป็นเสียงกระหึ่มเท่านั้น คือมันได้หมดกำลังไม่ได้เป็น
Sonic boom ไปแล้ว ในทางกลับกัน ถ้าเครื่องบินบินเหนือเสียงใกล้พื้น กำลังของ Sonic boom ก็ยังแรงมาก จนอาจทำให้เกิดความเสียหายต่อบ้านเรือนประชาชนได้
เช่น กระจกแตก จึงมักมีกฏบังคับว่าจะบินเหนือเสียงได้ในเขตใดๆ ให้ห่างไกลจากชุมชน

Shockwave จะเกิดขึ้นตามส่วนที่ ยื่นออกจากตัวยานไปตัดกับอากาศ ในขณะเคลื่อนตัว เช่น จมูก, ปีก, สันตามลำตัว, หาง ฯลฯ แต่เมื่อเคลื่อนที่ออกห่างจากตัวไป
เรื่อยๆ คลื่นเหล่านี้มักจะผสานกันจนเหลือ Shockwave อยู่สองที่ที่จมูกและหางเท่านั้น ดังนั้น เราก็จะได้ยิน Sonic Boom สองลูกเสมอ แต่ว่าในความเป็นจริงแล้ว
เครื่องบินที่ลำไม่ใหญ่นัก ระยะทางระหว่างคลื่นจากหัวและหางก็ไม่ต่างกันนัก เช่นเครื่องบินพวก fighter ขนาดความยาวประมาณ 50 ฟุต นั้นจะมี Sonic boom ห่าง
กันประมาณ 0.1 วินาที หูของเราไม่อาจแยกแยะได้ ก็ทำให้คิดไปว่าได้ยินเสียงบูมเดียว อย่าง Space Shuttle ความยาว 122 ฟุต Sonic boom จะห่างจากกันครึ่ง
วินาที ซึ่งหูมนุษย์สามารถแยกแยะได้ว่ามีสองเสียง

กำลังของ Sonic boom (intensity) ก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง คือ ความเร็ว, เพดานบิน และความอ้วนหรือผอมของเครื่องบิน ฉะนั้น พวก fighter jet ซึ่งลำ
เรียวเพรียวลม ก็จะทำให้เกิด Sonic boom ที่มีกำลังอ่อนกว่ายาน space shuttle ซึ่งอ้วนล่ำ และหัวหูมู่ทู่ กว่ามาก

กำลังของ Sonic boom วัดกันเป็น ปอนด์ต่อตารางฟุต ที่ "เกิน" ไปจากความกดดันอากาศโดยปกติ (lbs/sqft overpressure) คือความดันที่เหนือจาก 2,116 lbs/sqft (อันเป็นความกดดันของบรรยากาศ) ที่เราได้ยินส่วนมากจะมีกำลัง 1-2 ปอนด์/ตร.ฟุต overpressure จากผลการวิจัย ตึกที่อยู่ในสภาพดีสามารถทน Sonic boom ที่มีกำลังถึง 11 lb/sqft overpressure (เรียกสั้นเป็นปอนด์ ก็แล้วกันขี้เกียจพิมพ์แล้ว) ได้โดยไม่เกิดความเสียหายแต่อย่างใด เคยมีคนเจอ Sonic boom ที่มีกำลังถึง 144 ปอนด์โดยไม่มีอะไรเสียหาย จะให้หูหนวกก็ต้องให้มีกำลังถึง 720 ปอนด์ overpressure ไปถึง 2160 ปอนด์ก็จะทำให้ปอดฉีก แต่ว่าเราคงสร้าง Sonic
boom ขนาดนั้นได้ยาก

จากเครื่องบินจะมี Sonic Boom สองลูกคือ จากหัวลูกหนึ่ง และจากหางลูกหนึ่ง ในรูปนั่นเขาเขียนกรวยไว้อันเดียว เพราะถ้าทำสองอันแล้วมันจะซ้อนกันเห็นไม่ถนัด
ไม่ใช่ว่ามีลูกเดียวนะ โดยที่เราจะได้ยินครั้งเดียวหรือสองครั้งมันอยู่ที่ว่าเวลาของบูมสองลูกนี้จะห่างกันเท่าไหร่ อันขึ้นอยู่กับความยาวของเครื่องบินเอง

ถามว่า Sonic boom เป็น continuous wave มั้ย ต้องอธิบายอีกหน่อยว่า Sonic boom ลูกหนึ่งจะแผ่ออกตามผนังกรวยที่เห็นในภาพ โดยมันก็จะแผ่กระจาย
ตัวออกมาเรื่อยๆจนกระทบพื้นแล้วก็จะสลายไป ถ้าคุณยืนอยู่ที่จุดๆหนึ่งบนพื้น คุณจะได้ยินเสียงปังเดียว จาก Sonic boom ลูกนั้น เท่านั้น จะได้ยินอีกที ต้องเป็นบูมมาจาก
ลูกใหม่ ไม่ใช่ลูกเดิม แต่ก็เหมือนกับเรือแล่นน้ำไปเรื่อยๆ มันก็จะดันน้ำให้เกิดคลื่นลูกใหม่ ตราบเท่าที่เรือยังแล่นอยู่อย่างนั้น เครื่องบินก็เช่นเดียวกัน ตราบใดที่มันยังบินด้วย
ความเร็วเหนือเสียงไปเรื่อยๆอยู่อย่างนั้น ก็จะเกิด Sonic boom ลูกใหม่ออกมาไม่ขาดสาย ตามเทคนิคแล้วคงไม่ใช่ continous wave เพราะไม่ได้เป็นคลื่นที่เคลื่อนมาจากอากาศกลุ่มเดียวกัน แต่เป็นคลื่นที่เคลื่อนมาจากอากาศกลุ่มใหม่

สมัยก่อน เค้ากลัวกันมากว่าถ้าบินเร็วกว่าเสียงแล้วเครื่องบินจะแตก ที่เป็นเช่นนั้นเพราะ ความกดดันของอากาศจะทวีขึ้นเรื่อยๆเมื่อเร่งความเร็วสูงขึ้น ก็เนื่องมาจากความต้านทานของอากาศ (drag) พอมันถึงระดับความเร็วเสียง ความกดดันอยู่ๆจะเพิ่มทวีคูณ ที่เค้าเรียกว่า maximum dynamic pressure เครื่องบินสมัยก่อนทานไม่ได้ ก็เหมือนบินไปชนกำแพงอะไรสักอย่าง เขาจึงเรียกว่าเป็นกำแพงเสียง แต่จริงๆแล้วไม่มีการข้ามกำแพงอะไรหรอก แต่ว่าต่อมาสักสี่ห้าสิบปีมานี้ งานค้นคว้าวิจัยเจริญขึ้นมาก เข้าใจเรื่องนี้ได้มากขึ้น ก็สามารถสร้างเครื่องบินให้มีโครงสร้างแข็งแรง ทานความกดดันได้มากขึ้น เครื่องบินสมัยใหม่จึงสามารถบิน Supersonic ได้โดยไม่พังทลายลงก่อน