قدم به قدم آشنایی با مافوق صوت

آیا تا به حال درباره مافوق صوت فکر کرده‌اید؟ امواج مافوق صوت، امواج صوتی هستند که بسامدی بالاتر از شنوایی انسان دارند. بازه بسامد شنیداری هر فردی تفاوت دارد و بیشتر شدن سن این بازه کمتر می‌شود. امروزه از این امواج در پزشکی، تجهیزات صوتی و موارد دیگر استفاده می‌شود. در این مقاله از آوازک قصد داریم در مورد این سرعت مافوق صوت و کاربرد آنها در هواپیما بیشتر توضیح دهیم. با ما همراه باشید.

صوت، فراصوت و فروصوت

تغییرات فشار که گوش انسان قادر به شنیدن و شناسایی آن است، صوت می‌نامند. در حقیقت موج‌های صوتی دارای فرکانسی میان ۲۰ هرتز الی ۲۰ کیلوهرتز هستند. این امواج در دسته موج‌های مکانیکی واقع می‌شوند. چنانچه این امواج دارای فرکانسی بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز باشد، انسان دیگر نمی‌تواند آنها را بشنود، به این امواج فراصوت می‌گویند. حال اگر امواج صوتی دارای فرکانسی کمتر از ۲۰ هرتز باشد، به آنها فروصوت می‌گویند. این امواج نیز توسط انسانها شنیده نمی‌شوند.
حالا بیایید به تعریفی دیگر اشاره کنیم:
یکی از ویژگی‌های فیزیکی صوت بسامد است. بسامد توسط لوازم الکترونیکی اندازه‌گیری می‌شوند. بسامد در گوش انسانها اثری کیفی است به طوری که از طریق آن زیر و یا بمی صدا تعیین می‌شود. صدای خالص با بسامد کم به عنوان صدای بم و صدای دیگر با بسامد زیاد به عنوان صدای زیرشناخته می‌شود. برای مثال پیانو اغلب صدای زیر ایجاد می‌‌کند، اما طبل صدای بم ایجاد می‌‌کند.
همانطور که گفتیم انواع اصوات با بسامد‌های پایین 20 هرتز فروصوت نامیده می‌‌شوند. در حالیکه اصوات با بسامد‌های بیشتر از 20 هزار هرتز به عنوان فراصوت شناخته می‌شوند. به هر حال باید بگوییم که گوش انسان قابلیت شنوایی این اصوات را ندارد. اما جالب است بدانید که بعضی از حیوانات می‌توانند این صداها را بشوند. مثلا کرگدن‌ها با اصواتی با هم صحبت می‌کنند که بسامد 5 هرتز دارد.

شاید به این مورد نیز علاقمند باشید: صدا چگونه تولید می شود؟

روند سرعت صوت چگونه است؟

قبل از صحبت درباره مافوق صوت در ابتدا بیایید درباره سرعت صوت صحبت کنیم.
سرعت صوت بسته به دمای هوایی که صدا در آن حرکت می‌کند متفاوت است. بر روی زمین، سرعت صوت در سطح دریا با فرض دمای هوا 59 درجه فارنهایت (15 درجه سانتیگراد) – 761.2 مایل در ساعت (1225 کیلومتر در ساعت) است.
از آنجایی که مولکول‌های گاز در دماهای سردتر آهسته‌تر حرکت می‌کنند، سرعت صوت را کاهش می‌دهد. صدا از طریق هوای گرمتر سریعتر حرکت می‌کند. بنابراین، سرعت مورد نیاز برای شکستن دیوار صوتی در اتمسفر، جایی که دما سردتر است، بیشتر کاهش می‌یابد.
انتقال این اختلال زمانی صورت می‌گیرد که مولکول‌های موجود در گاز به یکدیگر برخورد می‌کنند. سرعت صوت نیز بسته به نوع گاز (هوا، اکسیژن خالص، دی اکسید کربن و غیره) که صدا از طریق آن حرکت می‌کند، متفاوت است.

سرعت مافوق صوت چیست؟

سرعت مافوق صوت به هر جسمی اطلاق می‌شود که سریعتر از سرعت صوت حرکت می‌کند. هنگامی که یک جسم سریعتر از سرعت صوت حرکت می‌کند، در واقع از امواج صوتی که در حین حرکت تولید می‌کند، «فرار می کند».

سرعت مافوق صوت چقدر است؟

تعریف دقیق سرعت مافوق صوت بر اساس ارتفاع، دما و شرایط جوی تغییر می‌کند. اندازه گیری 768 مایل در ساعت به عنوان سرعت مافوق صوت “استاندارد” هنگام سفر در هوای خشک در سطح دریا در 68 درجه فارنهایت داده می‌شود.

سفر با سرعت مافوق صوت

با سفر مداوم با سرعت مافوق صوت، از نظر تئوری می‌توان از فاصله تهران و نیویورک در چند دقیقه عبور کرد. در عمل، زمان حمل و نقل واقعی به این کوتاهی نیست. نسل جدیدی از هواپیماهای مافوق صوت که توسط خطوط هوایی یونایتد استفاده می‌شود، این سفر را در حدود 90 دقیقه انجام می دهند.
این هواپیماها نیز به نوبه خود به سرعت 1500 مایل در ساعت خواهند رسید.

شاید به این مورد نیز علاقمند باشید: روز جهانی صدا

مافوق صوت در پروازها

اولین پرواز کنترل شده برای شکستن سرعت صوت – همچنین به عنوان ماخ 1 – در 14 اکتبر 1947 انجام شد، زمانی که خلبان آزمایشی چاک یگر با استفاده از Glamorous Glennis، یک هواپیمای X-1، مانع را شکست.
هواپیمای X-43A ناسا در 16 نوامبر 2004 بیش از 9 برابر سریعتر پرواز کرد و با سرعت 9.6 ماخ یا تقریباً 7000 مایل در ساعت پرواز کرد. این سریع‌ترین سرعتی است که تا به امروز توسط یک هواپیمای جت به دست آمده است.
تا همین اواخر، تنها چند هواپیما در جهان می‌توانستند با سرعت مافوق صوت پرواز کنند. امروزه، آنها رایج‌تر می‌شوند. جت‌های مافوق صوت ممکن است به زودی بتوانند در عرض چند دقیقه از اقیانوس اطلس عبور کنند. دسترسی به مقاصد در سراسر جهان آسانتر از همیشه خواهد بود.
به لطف سرعت‌های شگفت‌انگیز، تنها خلبانان باتجربه و با سابقه به این جت‌ها اعتماد می‌کنند. اما اگر با درک اصول سرعت مافوق صوت شروع کنید، می‌توانید درک بهتری به طور کلی به دست آورید.
بیایید نگاهی دقیق‌تر به سرعت‌های مافوق صوت، چیستی و نحوه عملکرد آنها بیندازیم.

اولین پرواز موفق مافوق صوت

اولین پرواز موفقیت آمیز مافوق صوت در 14 اکتبر 1947 انجام شد. کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده چارلز ای. (چاک) یگر نه تنها از سرعت صوت فراتر رفت، بلکه اولین خلبانی بود که این کار را انجام داد و سپس برای فرود ایمن وارد شد. این پرواز نام یگر را در رکورد تاریخ هوانوردی تثبیت کرد.
قبل از پرواز یگر، هواپیماهای نظامی آزمایشی از نیروی راکتی برای رسیدن به سرعت 1 ماخ استفاده می‌کردند. این فرآیند بسیار خطرناک بود. البته هیچ کس تا به حال مهارت‌های لازم برای کار با چنین هواپیمایی را توسعه نداده بود. اما پرواز یگر ثابت کرد که می‌توان آن را انجام داد.
در آن زمان، علاقه به جت‌های مافوق صوت کاملاً نظامی بود. قابلیت‌های هوایی جدید برای حفاظت از صلح شکننده پس از جنگ جهانی دوم ضروری بود. اولین جت تجاری مافوق صوت، به دلیل اندازه بسیار بزرگتر از یک هواپیمای تجاری در مقایسه با یک جت جنگنده، کمی بیشتر طول کشید تا به مقصد برسد.

کنکورد

سرانجام در سپتامبر 1973، زمانی که کنکورد اولین عبور از اقیانوس اطلس را انجام داد، این اتفاق افتاد. در ژانویه 1976، بریتیش ایرویز و ایرفرانس این هواپیما را برای استفاده منظم افتتاح کردند. این یک سرمایه گذاری مشترک بین دولت‌ها و مشاغل در بریتانیا و فرانسه بود.
کنکورد در طول عمر خود به حداکثر سرعت 1354 مایل در ساعت دست یافت. امروزه هواپیماهای کمی وجود دارند که از این سرعت تجاوز کنند. گفته می‌شود، پیشرفت‌های جدید به این معنی است که جت‌های مافوق صوت حتی بیش از هر زمان دیگری وجود خواهند داشت و عملکرد آنها هم ایمن‌تر و هم آسان‌تر خواهد بود.
در آینده نزدیک، فناوری مافوق صوت می‌تواند با پیشرفت‌هایی در پرواز فضایی ترکیب شود تا هواپیماهایی را ایجاد کند که وارد مدار بالاتری شده و فواصل جهانی را در عرض چند ثانیه طی کنند.

سرعت ماخ

روش دیگر برای بیان سرعت مافوق صوت با عدد ماخ است. سرعت ماخ به افتخار ارنست ماخ، دانشمند اتریشی که پیشگام تحقیق در سرعت صوت بود، نامگذاری شده است. 1 ماخ زمانی است که هواپیما برای اولین بار از سرعت صوت فراتر می‌رود، اما سرعت 2 ماخ و 3 ماخ نیز امکان پذیر است.
با سرعت 2 ماخ، یک جسم دو برابر سرعت صوت حرکت می‌کند. با سرعت 3 ماخ، سه برابر سرعت صوت حرکت می کند.
هواپیماهایی که به طور متوسط با سرعت «حدود» 1 ماخ حرکت می‌کنند، به درستی به عنوان هواپیمای فراصوتی شناخته می‌شوند. این به این دلیل است که آنها معمولاً در هر سفری بین 1.3 ماخ و 0.8 ماخ در حال حرکت هستند. از سوی دیگر، هواپیماهای مافوق صوت به طور مداوم سرعتی بالاتر از 1.3 ماخ، معمولا تا 5 ماخ را حفظ می‌کنند.
هوا در سرعت‌های 1 ماخ بسیار متفاوت عمل می‌کند. هر جت مافوق صوت باید به طور فوق‌العاده‌ای آیرودینامیک باشد. به لبه‌های تیز و متحرک نیاز دارد، تثبیت کننده‌هایی که در جلوی بال اصلی قرار دارند. به همین ترتیب، خلبانان باید بسیار ماهر باشند و همیشه از کنترل پرواز آگاه باشند.
حرکت با سرعت مافوق صوت برای مدت طولانی غیرممکن است. و همانطور که هواپیما شتاب می‌گیرد، در معرض یکی از پدیده‌های هوایی قرار می گیرد: انفجار صوتی.

انفجار صوتی یا Sonic Booms چیست و چگونه سرعت مافوق صوت باعث آنها می شود؟

مفهوم انفجار صوتی به ارنست ماخ برمی گردد. او اولین کسی بود که توصیف کرد وقتی اشیا فراتر از سرعت صوت شتاب می‌گیرند چه اتفاقی می‌افتد. در طبیعت، این عملاً ناشناخته است، به استثنای یک شلاق ساخته دست انسان که وقتی به درستی از آن استفاده می‌شود، یک انفجار کوچک صوتی ایجاد می‌کند.
همانطور که هواپیما به سرعت صوت نزدیک می‌شود، امواج صوتی ساطع شده از هواپیما نمی‌توانند در حین حرکت از آن جلوتر بروند. در عوض، این امواج انباشته و انباشته می‌شوند. شکل قابل پیش بینی به خود می‌گیرد: مخروطی که مستقیماً در پشت هواپیما قرار دارد.
با عبور هواپیما، مخروط به سرعت منبسط می‌شود و در نهایت در یک انفجار صوتی آزاد می‌شود. هنگامی که سرعت هواپیما از نقطه بحرانی عبور می‌کند، انفجار صوتی توسط هر کسی که روی زمین است شنیده می‌شود. این انفجارها می‌توانند نیروی زیادی را در یک منطقه نسبتاً باریک آزاد کنند.
به گفته نیروی هوایی امریکا، بزرگترین سرعت صوتی که تا کنون ثبت شده است برابر با حدود 144 پوند فشار بر فوت مربع بوده است. این هواپیما توسط یک F-4 که درست از سرعت 1 ماخ گذشته و در ارتفاع 100 فوتی پرواز می‌کرد تولید شد. خوشبختانه، محققانی که در معرض این انفجار قرار گرفتند آسیبی ندیدند.
در واقع، بزرگترین تهدید برای انسان از انفجارهای صوتی آسیب احتمالی شنوایی است. ساختمان‌ها نیز تقریباً همیشه از فشارهای ناشی از انفجار های صوتی در امان هستند: نشان داده شده است که انفجار‌ها فقط در نقاطی آسیب می‌زنند که قبلاً از نظر ساختاری در اثر فشار ضعیف بودند و گاها با عبور هواپیما با سرعت مافوق صوت نزدیک ساختمانها احتمال شکسته شدن پنجره‌های ساختمان‌ها وجود دارد.

کلام آخر

مافوق صوت سرعتی است که از سرعت صوت (۳۴۳ متر بر ثانیه) بیشتر است. تسلیحاتی که مافوق سرعت صوت هستند، قادر هستند در هر ثانیه فاصله‌ای بیشتر از ۱.۶ کیلومتر بپیمایند. این تسلیحات دارای مانور بالایی هستند. در زمان پرواز آنها قابلیت این را دارند که مسیر خود را عوض کنند. در این مقاله از آوازک در مورد سرعت مافوق صوت و کاربردشان صحبت کردیم. در آوازک شما می‌توانید بهترن برندهای تجهیزات صوتی را پیدا کنید و با استفاده از راهنمایی کارشناسان مناسبترین آنها را مطابق نیاز خود خریداری کنید.