سرعت فراصوت

سرعت مافوق صوت یا سرعت فراصوت یا سرعت سوپرسونیک  سرعت جسمی است که از سرعت صوت (ماخ ۱) بیشتر باشد. برای جسمی که در هوای خشک با دمای ۲۰ درجه سلسیوس در سطح دریا حرکت می‌کند، این سرعت تقریباً ۳۴۳٫۲ متر بر ثانیه است. سرعت‌های بیشتر از پنج برابر سرعت صوت (ماخ ۵) اغلب به عنوان هایپرسونیک یا ابرفراصوت شناخته می‌شود. پروازهایی که در طی آن فقط برخی از قسمت‌های هوای اطراف یک جسم، مانند انتهای پره‌های روتور، به سرعت مافوق صوت می‌رسند، ترنسونیک یا هَماصوتی نامیده می‌شوند. این پدیده معمولاً بین ماخ ۰٫۸ و ماخ ۱٫۲ رخ می‌دهد.

صداها ارتعاشاتی هستند که به شکل امواج فشار در یک محیط الاستیک حرکت می‌کنند. زمانی گفته می‌شود که سرعت یک جسم فراصوت است که سرعت آن بیشتر از سرعت صوت در آن محیط باشد. در گازها، صوت با سرعت‌های مختلفی به صورت طولی حرکت می‌کند که بیشتر به جرم مولکولی و دمای گاز بستگی دارد و فشار تأثیر کمی دارد. از آنجایی که درجه حرارت و ترکیب هوا به‌طور قابل توجهی با ارتفاع متفاوت است، سرعت صوت و اعداد ماخ برای یک جسم در حال حرکت ممکن است تغییر کند. در آب در دمای اتاق، سرعت فراصوت را می‌توان به عنوان هر سرعتی بیشتر از ۱۴۴۰ متر بر ثانیه در نظر گرفت. در جامدات، امواج صوتی می‌توانند به صورت طولی یا عرضی قطبی شوند و حتی سرعت بالاتری داشته باشند.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی 

صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و … معمولی) در سطح آب‌های آزاد دارای سرعتی معادل ۳۴۰ متر بر ثانیه است که این سرعت، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکول‌های هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آن‌ها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکول‌ها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنان‌که سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ متر بر ثانیه است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع، تعداد ملکول‌ها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی اتریشی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد.

عامل ایجاد دیوار صوتی 
امواج شوک در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب به وجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکول‌های آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آن‌ها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا، تشکیل می‌شوند.

عدد ماخ بحرانی 
به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت، فرامین هواپیما کم‌کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای به وجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود بازمی‌گردند.

اثرات شکست دیوار صوتی 
امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنان‌که در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمان‌ها برخورد نموده و باعث شکستن آن‌ها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای به‌طور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای، در بمب‌ها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمب‌ها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا، امواج ضربه‌ای به وجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلأ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعت‌ها نیروی بسیار زیاد موتور در نتیجه افزایش فوق‌العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

منابع 

 واژه معادل مصوب فرهنگستان زبان و ادب فارسی برای واژه انگلیسی supersound، با فراصوت که معادل ultrasound است اشتباه نشود.http://www.persianacademy.ir/fa/wordsSearch.aspx
 
 

آیرودینامیک
سرعت هوا
صوت
مهندسی هوافضا
نرخ‌های زمانی
واژگان هوانوردی