Physische Argumentation hinter dem Hören eines einzelnen Schocks

Wenn ein Objekt mit einer Machzahl ( M ) größer als 1, wird kontinuierlich eine Stoßwelle erzeugt und der Machkegel bildet einen bestimmten Winkel, θ M , mit dem Boden (oder normal). Ein Beobachter am Boden wird eine Stoßwelle hören, wenn sein relativer Winkel das fliegende Objekt erreicht θ M . Aber warum hört der Beobachter keine kontinuierlichen Schockwellen, die das Flugobjekt ständig produziert? Wenn sich der Beobachter nun im Inneren des Machkegels befindet, breiten sich die Stoßwellen nicht kugelsymmetrisch aus und würde der Beobachter nicht immer noch einen Stoß hören? Würde ein Beobachter nicht sogar direkt hinter dem fliegenden Objekt die Stoßwelle hören, wenn er dieselbe Logik verwendet?

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Sind die Gasmoleküle physikalisch aus irgendeinem Grund alle genau im Mach-Winkel gebündelt / komprimiert? Basierend auf der Ableitung von θ M = arcsin ⁡ ( 1 / M ) , scheint dies der Winkel des fliegenden Objekts relativ zu dem Zeitpunkt zu sein, zu dem ein Geräusch zum ersten Mal gehört wird, aber sollte ein Beobachter nicht weiterhin ein Geräusch hören? Auf dem Bild scheinen die schwarzen durchgezogenen Linien unterschiedliche Wellen anzuzeigen, die von jedem Beobachter entweder bei Unterschall- oder Überschallbewegung gehört werden können. Ich hätte gedacht, dass jeder, der die schwarzen Linien schneidet, das Geräusch hören würde, das mit regelmäßigen Wellen verbunden ist ( M < 1 ) oder eine Schockunterbrechung ( M > 1 ). Aber ist das wahr?

Vielleicht missverstehe ich, wo die Schockfront selbst existiert, und dies ist eine entscheidende Voraussetzung für das Obige. Wird nicht zu jeder Zeit und an jedem Ort ständig eine neue Stoßfront erzeugt? Und dehnt sich nicht jede dieser neuen Stoßfronten kontinuierlich sphärisch aus? Wenn ich mich nicht irre, ist dies das, was die Bilder darstellen, und man sollte mehrere Erschütterungen hören (was der Erfahrung widerspricht).

Sie können diese Frage auch interessant finden . physical.stackexchange.com/q/421813/59023 .

Antworten (2)

Denken Sie darüber nach, was Schall ist. Geräusche sind Druckschwankungen über die Zeit.

Vergessen Sie Stoßwellen und denken Sie über das folgende Problem nach. Sie sitzen in einem abgeschlossenen, luftdichten Raum, mit schallabsorbierenden Wänden und unter Druck P 1 . Plötzlich und schlagartig steigt der Druck im Raum an P 2 und bleibt bei diesem Druck. Was würden Sie hören? Ein kontinuierliches Geräusch oder ein einzelnes "Knallen" oder "Puffen" während des eigentlichen Druckanstiegs? Die Antwort ist letzteres. Tatsächlich ist es möglich, genau dieses Experiment durchzuführen .

Nun zurück zu Überschallflugzeugen. Lassen Sie uns die Physik stark vereinfachen und annehmen, dass es nichts anderes gibt als Sie und eine Punktteilchenebene (kein Boden, Gebäude usw.), wobei Sie relativ zur Luft bewegungslos sind und sich die Ebene mit Überschall durch die Luft bewegt Geschwindigkeit. Eine Stoßwellenfront komprimiert die Luft beim Durchströmen. Für alle praktischen Zwecke ist dies ein sofortiger Anstieg - es dauert in der Größenordnung von einer Nanosekunde, bis Sie den Druckanstieg spüren, so dass er im Wesentlichen augenblicklich ist (und deshalb sind sie so laut, es ist eine sehr große Druckänderung über sehr kurze Zeit). Aber nachdem die Schockwelle vorbei ist, gibt es kein plötzliches mehrDruckänderung - Sie sehen nur einen allmählichen Druckabfall, wenn sich die Bedingungen wieder normalisieren. Somit nehmen Sie keinen zusätzlichen Schall wahr.

Wenn Sie Ihre Frage wörtlich nehmen und an den realistischeren Fall denken, hören Sie ein kontinuierliches Geräusch, da Sie auch nach dem Passieren der Stoßwelle immer noch die Stoßreflexionen vom Boden, von Gebäuden usw. sowie den Doppler-verschobenen Motor hören Lärm. Aber ich vermute, das ist nicht das, was Sie fragen.

EDIT: Zu der Frage, warum der Schock wie ein Kegel und nicht wie eine Reihe von Kugeln erscheint. Stoßwellen haben die Eigenschaft, dass die Flüssigkeit stromabwärts des Stoßes (die „geschockte“ Flüssigkeit) andere Eigenschaften hat als die Flüssigkeit stromaufwärts („ungeschockte“ Flüssigkeit). Insbesondere bewegt sich die geschockte Luft tatsächlich mit einer gewissen Geschwindigkeit vorwärts und hat eine höhere Schallgeschwindigkeit. Wenn Sie also zwei einfache planare Schockfronten haben, neigt die hintere Schockfront dazu, die vordere Schockfront "einzuholen" und bildet eine einzige Schockwelle. Dies ist der Hauptgrund, warum es keine Reihe von kugelförmigen Stoßdämpfern gibt, sondern eine Reihe von kombinierten, konischen Stoßdämpfern.

Aus diesem Grund ist ein wenig Mathematik erforderlich, um die richtige Form jeder Stoßwelle tatsächlich zu berechnen. Wenn sich ein Körper mit Überschallgeschwindigkeit durch ein Fluid bewegt, werden ferner Stöße erzeugt, wenn sich die Querschnittsform ändert. Die beiden ausgeprägtesten Schocks sind oft ein Kompressionsschock an der Vorderseite des Objekts und ein Verdünnungsschock am Ende. Diese beiden Schocks interagieren auf nicht triviale Weise miteinander. Da beispielsweise der Verdünnungsschock in einem bereits geschockten Luftregime mit höherer Schallgeschwindigkeit auftritt, ist der Winkel spitzer .

Um ins Detail zu gehen, müsste die Physik auf einer tieferen Ebene analysiert werden. Dieses Buch ist das klassische Nachschlagewerk zum Thema, es ist nicht zu mathelastig und lässt sich gut lesen.

Ich stimme zu, Ton ist eine Druckvariation in der Zeit, aber das ist kein einzelner Prozess – es ist so lange kontinuierlich M > 1 . Bei ( T = 0 , X = 0 , j = H ) , der Druck geht ab P 1 Zu P 2 , und ein Ton ist zu hören. Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das Überschallobjekt an ist ( T = T ' , X = M C S T ' , j = H ) , der Druck wird auch abgehen P 1 Zu P 2 hier vor Ort. Somit gibt es zwei unterschiedliche Orte im Raum, an denen der Druck abrupt geändert wird. Somit sollten nicht an beiden getrennte Schallwellen erzeugt werden, die mit den getrennten Stößen verbunden sind T = 0 Und T = T ' , die sich beide schließlich unabhängig voneinander an einen Beobachter ausbreiten?
Sie können nur lokale Druckschwankungen hören. Das Objekt erzeugt zwar einen Dauerstoß, aber diese Stoßfront bewegt sich mit Überschallgeschwindigkeit über den Boden. Im Idealfall (kein Boden) erfährt jeder stationäre Beobachter nur einen einzigen Drucksprung. Im realistischen Szenario hören Sie jedoch ein komplizierteres, kontinuierliches Geräusch, wenn der Stoß vom Boden und von Gebäuden reflektiert wird.
Vielleicht missverstehe ich, wo die Schockfront selbst existiert. Wird nicht zu jeder Zeit und an jedem Ort ständig eine neue Stoßfront erzeugt? Und dehnt sich nicht jede dieser neuen Stoßfronten kontinuierlich sphärisch aus? Wenn ich mich nicht irre, ist dies auf den Bildern dargestellt.
Das ist eine sehr gute Frage, die eine eigene Antwort verdient; definitiv nicht für Kommentare geeignet. Wenn Sie Ihre Frage bearbeiten, um klarer zu machen, dass Sie das fragen, werde ich fortfahren und meine Antwort bearbeiten.
Ich habe die Frage entsprechend bearbeitet. Entschuldigen Sie, dass Sie dies nicht explizit gemacht haben, da dies eine notwendige Annahme bei der Formulierung der obigen Frage war (von der ich dachte, dass das Bild abgebildet ist), aber vielleicht ist diese Annahme falsch. Vielleicht ist der Stoß nicht kugelförmig, sondern einfach ein Kegel mit konstantem Winkel, der sich mit dem Überschallobjekt weiterbewegt (obwohl dies ebenfalls falsch erscheint). Wenn das tatsächlich der Fall ist, verstehe ich nicht ganz, was die kreisförmigen Wellen im Bild für den Überschallfall anzeigen.
Schau dir meine Bearbeitung an.
Das hilft sehr. "Insbesondere die geschockte Luft bewegt sich tatsächlich mit einer gewissen Geschwindigkeit vorwärts und hat eine höhere Schallgeschwindigkeit." Bewegt sich die geschockte Luft nicht mit derselben Geschwindigkeit vorwärts wie das Überschallobjekt? Aber da der Druck steigt und die lokale Schallgeschwindigkeit verringert wird, ist der Stoß auch Unterschall, richtig?
Die geschockte Luft bewegt sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Objekt vorwärts. Die Geschwindigkeit ist viel geringer und wird kleiner, je weiter Sie sich vom Fahrzeug entfernen. Ein vereinfachtes System ist eine planare normale Stoßwelle, die Sie mit den Gleichungen zur Erhaltung von Masse, Impuls und Energie analysieren können; diese Seite ist eine informative Lektüre.
Was ist im Link der Unterschied zwischen statischer und Gesamttemperatur? Warum bedeutet eine Diskontinuität am Stoß zwangsläufig Entropieerhöhungen (dh irreversible Energieänderungen), wie im Link erwähnt?
this und this beantworten diese Fragen recht gut.
Danke schön! Nur um das zu verdeutlichen, sind Stagnationstemperatur und Gesamttemperatur nicht im Wesentlichen äquivalent? Die von einer ruhenden Sonde gemessene Temperatur (relativ zu uns) würde sowohl die statische Temperatur als auch die dynamische Komponente (in Verbindung mit kinetischer Energie) messen.

Im Überschallbereich breitet sich die Stoßwelle kegelförmig aus. Wenn ein Überschallflugzeug nahe am Boden fliegt, hören Sie den Überschallknall, gefolgt von dopplerverschobenen Triebwerks- und Flugzeugzellengeräuschen. Da die Stoßfront so viel energischer ist als das Motorgeräusch, das vom Flugzeug weggestrahlt wird, während es sich bewegt, ist der Knall das Einzige, was Sie hören werden, wenn das Flugzeug in großer Höhe über Ihnen hinwegfliegt.

Es ist üblich, dass ein Überschallflugzeug mehr als einen Stoß mit sich zieht. Sie erhalten einen Stoß an der Nasenspitze und einen weiteren an der Vorderkante des Flügels und möglicherweise einen weiteren an den Leitwerksflächen. dies führt zu einem komplexen Auslegergeräusch mit mehr als einer Hauptkomponente.

Könnten Sie näher auf die „Stoßwelle, die sich mit der Form eines Kegels ausbreitet“ eingehen? Beispielsweise wird in dieser Ableitung um 3:00 Uhr der Winkel des Kegels in Bezug auf das Überschallobjekt abgeleitet, aber er basiert nur auf der Schallwelle, die sich bei 90 Grad von der Quelle ausbreitet (was das angezeigte rechtwinklige Dreieck erzeugt). Aber warum sind es unbedingt 90 Grad?
Die Definition des Kegels durch dieses rechtwinklige 90-Grad-Dreieck scheint anzuzeigen, wie schnell ein Ton gehört werden kann (dh der kürzeste Weg zu einem Beobachter beträgt 90 Grad). Aber kann sich der Schall von der Quelle nicht in irgendeine Richtung ausbreiten (dh nicht streng 90 Grad) und somit sogar innerhalb des Kegels gehört werden?
@ Mathews24 Ja, "Ton" ist überall im Kegel zu hören, aber die Stoßwelle (Diskontinuität) befindet sich nur am Rand des Kegels.
Physische Argumentation hinter dem Hören eines einzelnen Schocks
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