راستش را بخواهید بر خلاف برداشتی که از کلمه "دیوار صوتی" می‌شود، اصلا دیواری در کار نیست که بشود آن را دید.
بر خلاف آنچه ممکن است در این عکس که مربوط به لحظه "شکستن دیوار صوتی" بوسیله یک هواپیمای جت است به نظر برسد، منظور از "دیوار صوتی" سرعت سیر امواج صوتی بسته به محیطی که در آن حرکت می‌کنند است، نه پرده‌ای واقعی که دماغه هواپیمای جت آن را سوراخ کند.
شکستن دیوار صوتی وقتی اتفاق می‌افتد که هواپیما برای مدتی با سرعت صوت (340 متر بر ثانیه) حرکت می‌کند و انباشته شدن امواج صوتی حاصل از موتور و شکافتن هوا در مقابل بدنه هواپیما، انرژی مکانیکی بسیار زیادی را ذخیره می‌کند. وقتی سرعت هواپیما از 1 ماخ (همان سرعت صوت) فراتر رود، انرژی صوتی انباشته‌شده در قالب موجی ضربه‌ای آزاد شده و به صورت صدایی گوش‌خراش به سطح زمین می‌رسد. البته این موج ضربه‌ای باعث تغییر فشار و دمای محیط هم می‌شود که حاصل آن، میعان بخار آب و پدید آمدن ابرهای موضعی است.
کنترل هواپیما در چنین شرایطی لحظه‌به‌لحظه دشوارتر می‌شود، به همین دلیل خلبان پس از مدتی سرعت هواپیما را به بیشتر از سرعت صوت افزایش داده و از این سد صوتی عبور می‌کند. این همان لحظه‌ای است که شکستن دیوار صوتی خوانده می‌شود. در این لحظه، انرژی انباشته امواج صوتی در قالب موجی ضربه‌ای منتشر می‌شود و اگر خلبان در حال عبور از مناطق مسکونی باشد، این انرژی باعث لرزش شدید شیشه‌ها و شکستن آنها می‌شود. البته قدرت این موج به طول زمان پرواز در سرعت صوت (1 ماخ) و ارتفاع هواپیما از زمین بستگی دارد. (فیلم زیر شکستن دیوار صوتی توسط یک فروند جنگنده اف-18 را در نزدیکی سطح آب نشان می‌دهد که البته ارتباطی به تصویر فوق ندارد).
اما پدیده‌ای بصری که در این تصویر می‌بینید به علت قطرات آبی است که درمیان دو سطح پرفشار هوا به دام می‌افتند.در شرایط آب و هوایی مرطوب بخار آب می‌تواند بین دو ستیغ امواج صوتی ایجاد بوسیله هواپیمای جت تجمع یابند.
اگر بخار آب در هوا به اندازه کافی وجود داشته باشد، در لحظه شکستن دیوار صوتی، ریزقطرات آب چگالیده شده و ابرهایی موضعی را در اطراف بال‌ها و دماغه ایجاد می‌کنند
این اثر لزوما با شکستن دیوار صوتی هم‌زمان نیست، اما ممکن است همراه آن هم رخ دهد.
شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در تاریخ هوانوردی در 14 اکتبر 1947 بوسیله سرهنگ چارلز ییگر با یک هواپیمای پژوهشی به نام Bell XS-1 که برای سرعتهای مافوق صوت طراحی شده بود، در امریکا انجام شد.
امروزه هواپیماهای بدون سرنشین بوسیله ناسا با سرعت 10 برابر سرعت صوت (10 ماخ) به پرواز درآمده‌اند.
کلمه ماخ از نام ارنست ماخ فیزیکدان اتریشی گرفته شده است که در سال 1887 اصول حرکت مافوق‌صوت را تبیین کرد. "عدد ماخ" نسبت سرعت یک شی‌ئ به سرعت صوت در محیط محلی است.
صوت امواج ناشی از ارتعاش جو است و بنابراین سرعت آن به درجه حرارت و فشار هوا بستگی دارد.
صوت در سطح دریا در حرارت 15 درجه سانتی‌گراد با سرعت 1223 کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند.
پرواز کردن هواپیما با سرعتی بیش از این صدایی گوش‌خراش ایجاد می‌کند.
هنگامی که هواپیما با سرعت تحت‌صوت (کمتر از یک ماخ) پرواز می‌کند ارتعاشات در فشار هوا ( یا همان امواج صوتی) عموما در همه جهات پخش می‌شوند.
اما هنگام به اصطلاح شکستن دیوار صوتی (یا افزایش سرعت هواپیما به بالای سرعت صوت) میدان فشارهوای اطراف هواپیما از عقب هواپیما به صورت یک "مخروط ماخ" – یک موج ضربه‌ای که یک "غرش صوتی" را بوجود می‌آورد- گسترش می‌یابد
موج ضربه ای و ابر پیرامون هواپیما
احتمالا شما هم این عکس را دیده*اید؛ یک هواپیمای جنگی که دیوار صوتی را شکسته، پیرامون آن ابری درست شده است. خیلی*ها به*غلط خیال می*کنند که آن ابر هم*آن دیوار صوتی است. حتی توضیح پایگاه اطلاع رسانی نیروی هوایی ایالات متحده، منبع اصلی عکس، غلط است. علت فیزیکی این پدیده چیست؟
همه* ما با پدیده*ی چگالش آشنا هستیم. مثلا وقتی در زمستان نفس می*کشیم، بخار آب به*صورت ابر رقیقی از دهان بیرون می*آید چون هوای بیرون آن*قدر سرد هست که بخار آب موجود در بازدم را به ذرات ریز آب تبدیل می*کند. در مورد هواپیما چیزی شبیه هم*این رخ می*دهد.
عکس زیر تغییرات دما روی هواپیما را نشان می*دهد. وقتی هواپیما با سرعتی بالاتر از سرعت صوت حرکت کند، جلوی هواپیما یک موج ضربه*ای درست می*شود که هوا را فشرده و گرم می*کند. تا این*جا چیز خاصی رخ نمی*دهد. اما وقتی هوا از روی سطوح محدب هواپیما رد می*شود، امواج انبساطی در آن قسمت*ها هوا را آن*قدر کم*فشار و سرد می*کند که یک ابر درست می*شود. ولی در ته هواپیما یک موج ضربه*ای دیگر هست که دوباره هوا را گرم می*کند و به این ترتیب آن ابر را از بین می*برد. پس این ابر به*خاطر موج ضربه*ای نیست، بلکه به*خاطر امواج انبساطی روی قسمت*های محدب سطح هواپیما است.
اما به وجود آمدن این*جور ابرها دو شرط دیگر هم دارد:
۱- هوا باید گرم باشد مثل یک روز تابستانی
۲- رطوبت هوا نزدیک ۱۰۰٪ باشد مثل نزدیکی*های ساحل دریا
بنابراین شانس شما برای دیدن یک چنین پدیده*ای در تهران ناچیز است. درضمن، برای دیدن این پدیده لازم نیست هواپیما دیوار صوتی را بشکند.
صدای انفجار
امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. با گذر از سرعت صوت، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می‌باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود. بدین گونه که، هوا ورودی در موتورهای جت، اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پرواز نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.
هواپیماها از نظر سرعت به چند دسته تقسیم می شوند:
*هواپیماهای زیر سرعت صوت یا Sub Sonic
*هواپیماهای نزدیک سرعت صوت یا Tran Sonic
*هوپیماهای دقیقاْ در صوت یا Sonic
*هواپیماهای ماورای سرعت صوت یا Super Sonic
*هواپیماهای بسیار بالاتر از سرعت صوت یا Hyper Sonic
سرعت صوت عبارت است از مقدار مسافتی که صوت در یک مدت زمان معین طی می کند. برای مثال سرعت صوت در ثانیه و در سطح دریا و دمای 22 درجه تقریباً 345 متر و سرعت آن در یک ساعت 1240 است. دلیل متغیر بودن سرعت صوت، به میزان فشار هوا یا در حقیقت ارتفاع بستگی دارد. در سطح دریا، سرعت صوت در میزان حداکثر خود و در ارتفاعات بالا کمترین مقدار خود را یعنی حدود 1060 کیلومتر بر ساعت را در در دمای 52 درجه دارد که به این معنی است که در سطح دریا، به دلیل تراکم نسبتاً زیاد ملکول های هوا، صوت با سرعت بیشتری حرکت می کند و مجرد اینکه ارتفاع بالا می رود، فشار هوا تقلیل یافته در نتیجه صوت با سرعت کمتری فضا را پیمایش می کند. به حداکثر سرعت صوت در یک ارتفاع معین ماخ یا Mach می گویند. به این ترتیب سرعت 120 کیلومتر در ساعت تقریباً مقداری معادل 0.1 ماخ داشته و سرعت 950 کیلومتر برساعت تقریباً معادل 0.9 ماخ است (البته بیان سرعت به کیلومتر در ساعت برای درک بهتر است، چه، در غیر اینصورت واحد سرعت هواپیماها بیشتر بر حسب نات یا Knot که معادل 1822 متر است محاسبه گردیده و ارتفاع آنها نیز بر حسب پا یا Foot که هر فوت معادل تقریباً 0.35 متر است محاسبه می شود). سرعت ماخ توسط فرمول سرعت "هواپیما ÷ سرعت صوت محیط" محاسبه می شود.
در حدود سرعت صوت، به دلیل فشردگی بیش از حد هوا در مقابل لبه حمله بال هواپیما، نیروی "برا"ی هواپیما به شدت کاهش پیدا کرده و بالعکس نیروی پس کشنده یا Drag آن به شدت افزایش پیدا می کند؛ تا جایی که بسیاری در زمان های گذشته عقیده داشتند که عبور از چنین سرعتی برای اجسام پرنده ساخت دست انسان غیر ممکن می باشد، اما ورود موتور جت به عرصه هوانوردی، این رویا رنگ واقعیت به خود گرفت. چرا که اگر یک هواپیمای ملخ دار در سرعت 700 کیلومتر بر ساعت به 1000 اسب بخار نیرو نیاز داشته باشد، در سرعت 1000 کیلومتر بر ساعت، همین هواپیما به 30,000 اسب بخار نیرو جهت پرواز نیز خواهد داشت. به همین دلیل این حد را (دیوار صوتی)، Sound Barrier نامیده و گذشتن از آن را غیر ممکن می دانستند.
چگونگی شکستن دیوار صوتی:
با نزدیک شدن هواپیما به سرعت صوت، تولید امواج ضربه ای یا Shockwave ها بر روی بال ها شروع می شود. هر چه سرعتی که هواپیما در آن سرعت موجب تولید امواج ضربه ای می شود بیشتر باشد، آن هواپیما از آیرودینامیک بهتری برخوردار است. این امواج حالتی را شبیه به کوبیدن رو بال ها پدید می آورند و این حالت ناپایداری تا جایی ادامه می یابد که ممکن است فرامین هواپیما به کلی از دست هدایت کننده آن بیرون رود. سرعتی را که تولید امواج ضربه ای در آن برای یک هواپیما شروع می شود، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach می نامند. اما بعد از شکست دیوار صوتی و گذشتن از آن این حالت از بین رفته و فرامین به حالت اصلی خود باز می گردند. گفتیم که نزدیکی هواپیما به سرعت صوت، تولید امواج ضربه ای را در پی دارد. هر موجود پرنده ای در حالت پرواز، فشار های گوناگونی تولید کرده و فشار های متفاوتی نیز از سوی او بر محیط اعمال می شود و عملاً نظم فشار محیط را بهم می زند. تا قبل از سرعت صوت، هر موجی که از سوی هواپیما تولید می شود، از آن دور شده و اثری بر آن نخواهد داشت. اما با تقرب هواپیما به سرعت صوت، دیگر تقریباً امواج فرصت دور شدن از لبه حمله بال هواپیما را نداشته تا جایی که دیگر اصلاً موقعیتی برای فرار آنها وجود نداشته و چون هواپیما نیز همسان با سرعت صوت حرکت می کند، صدای تولید شده توسط هواپیما در هر لحظه جمع شده و با تجاوز از سرعت صوت، صدای مهیب و انفجار مانندی به گوش می رسد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی است.
