Tiếng nổ siêu thanh

Người quan sát dưới mặt đất sẽ nghe thấy tiếng nổ khi sóng sốc nằm trên cạnh của hình nón đi qua vị trí của người quan sát.
Tiếng nổ siêu thanh là âm thanh nghe được khi sóng xung kích đi qua người quan sát, và các sóng xung kích này có nguồn gốc từ va đập vào không khí của các vật thể chuyển động nhanh hơn âm thanh. Năng lượng âm thanh có mật độ lớn trong sóng xung kích khiến cho âm thanh được tạo ra giống như âm thanh của một vụ nổ
Các máy bay chuyển động nhanh hơn âm thanh đều tạo ra tiếng nổ siêu thanh đối với người quan sát đứng đủ gần. Tiếng nổ lách tách trên đường bay của viên đạn được bắn vớitốc độ nhanh hơn âm thanh cũng có cùng nguyên nhân. Đầu nhỏ của một số loại roi chăn bò cũng có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ âm thanh khi được quật nhanh, và cũng phát ra tiếng nổ lách tách bởi cùng nguyên nhân.
không khí
, những va đập của không khí vào vật thể tạo ra những rung động của các phân tử không khí. Những rung động này lan truyền trong không khí ở dạng âm thanh (sóng áp suất), với tốc độ của tốc độ âm thanh.
Nếu vật thể chuyển động nhanh dần, nhưng vẫn chậm hơn tốc độ âm thanh, khoảng cách giữa các mặt sóng ngay trước mũi vật thể trở nên nhỏ hơn (do vật thể đuổi theo mặt sóng, như hình bên trái trong hình minh họa bên). Các mặt sóng ứng với các vùng áp suất cao sẽ dần bị nén gần với nhau khi tốc độ vật thể tăng lên.
Đến khi tốc độ vật thể đúng bằng tốc độ âm thanh, các mặt sóng bị nén chặt tại một điểm ở ngay mũi vật thể (hình giữa trong hình minh họa bên). Điểm mũi vật thể, nơi các mặt sóng bị ép lại, có áp suất rất lớn. Các hạt không khí va đập vào mũi bị dồn nén lại, nhưng áp suất này không kịp giải tỏa ra hết môi trường xung quanh, do tốc độ lan truyền của sóng áp suất bằng đúng với tốc độ di chuyển của mũi. Kết quả là áp suất tiếp tục tăng lên đến giá trị rất lớn. Áp suất cực lớn này lan truyền ra xung quanh ở dạng sóng sốc . Tốc độ vật thể, khi bằng tốc độ âm thanh, gọi là Mach 1, khoảng 1225 km/h ở mực nước biển tại 20 độ C.
Mô phỏng lan truyền sóng va đập từ mũi vật thể bay ở tốc độ Mach 1,4.
Nếu tốc độ vật thể tiếp tục tăng cao hơn tốc độ âm thanh (hình bên phải trong hình minh họa bên), mũi của vật thể di chuyển nhanh hơn cả sóng áp suất (âm thanh). Khối không khí có áp suất rất cao ở mũi vật thể, ở trạng thái cân bằng, luôn lan ra xung quanh đủ nhanh để kịp thoát ra khỏi mũi, nhưng sau đó do giãn nở trong quá trình lan ra, áp suất giảm và tốc độ lan ra chậm lại, bằng với tốc độ lan truyền của sóng áp suất thông thường, tức tốc độ âm thanh. Chuyển động của mũi vật thể và các khối khí áp suất cao từ mũi có thể được minh họa bằng chuỗi sự kiện như sau.
Tại thời điểm t bất kỳ, khối khí áp suất cao nằm ở vị trí A gần vị trí mũi vật thể B. Các vị trí này có thể được vẽ trên một khung hình đầu tiên của một đoạn hoạt hình tương tự như hình bên.
Tại thời điểm thời điểm t + dt (với dt là khoảng thời gian nhỏ), khối khí áp suất cao trên lan ra xung quanh trong vùng hình cầu bán kính dR = c * dt - với c là tốc độ âm thanh - tâm hình cầu tại điểm A ban đầu. Cũng tại thời điểm t+dt, mũi vật thể di chuyển đến B' cách B một khoảng BB' = v * dt với v là tốc độ của mũi và v > c. Vị trí mới của mũi vật thể và hình cầu chứa khối khí cao áp có thể được vẽ ở khung hình thứ hai của một đoạn hoạt hình tương tự như hình bên.
Tương tự, xét thời điểm t + 2dt, rồi t + 3dt,... kết quả thu được là đoạn hoạt hình tương tự như hình bên.
Vùng áp suất cao lan ra xung quanh trong giới hạn một hình nón có đỉnh là mũi vật thể và chuyển động cùng với vật thể, gọi là hình nón Mach. Một nửa góc nón α, tính bằng công thức:
với v là tốc độ vật thể, c là tốc độ âm thanh và v/c là số Mach. Tốc độ vật thể càng cao thì góc nón càng nhỏ.
Ảnh chụp cho thấy 2 nón Mach từ mũi và từ đuôi của một viên đạn chuyển động nhanh hơn âm thanh
Nón Mach trong âm thanh cũng tượng tự như sóng nước tạo ra bởi thuyền chạy nhanh hơn tốc độ lan truyền của sóng trên mặt nước
Trong vùng sóng sốc, có sự tăng đột ngột về áp suất lên giá trị rất lớn tại mũi vật thể, và trên các cạnh của nón Mach. Áp suất giảm dần về phía đuôi vật thể và đạt giá trị nhỏ hơn áp suất thông thường của không khí tại đuôi (do bảo toàn số hạt không khí, có vùng tăng áp suất thì phải có vùng giảm áp suất), cũng như tại các cạnh nón Mach ứng với đuôi. Khi nón Mach ứng với đuôi đi qua, áp suất lại tăng đột ngột lên áp suất thông thường của khí quyển. Tiếng nổ được sinh ra khi có sự thay đổi đột ngột về áp suất, do đó có 2 lần nghe thấy tiếng nổ khi nón Mach đi qua:
lần thứ nhất khi áp tăng đột đột ngột từ bình thường lên áp suất cao ứng với cạnh của hình nón Mach của mũi vật thể
và lần thứ hai khi áp suất tăng đột ngột từ áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển tại cạnh của hình nón Mach của đuôi vật thể lên áp suất thường.
Do có sự tăng giảm rồi lại tăng về áp suất, khi các nón Mach đi qua, như trên, sự biến đổi của áp suất còn được gọi là sóng-N, vì hình dạng biến đổi giống chữ N. Nếu máy bay bay lượn vòng, có thể quan sát biến đổi áp suất theo sóng-U.