Что издает шум, когда самолет пролетает над головой?

Эффект, который вы заметили, является результатом комбинации эффекта Доплера и звукопоглощения.

Поглощение звука в жидкости пропорционально

$exp(- \alpha \nu^2 x)$

куда$\alpha$размерная константа,$x$это пройденный путь и$\nu$это звуковая частота.

В своей собственной системе отсчета самолет издает всегда один и тот же звук, независимо от того, приближается он к наблюдателю или удаляется от него. Но для наблюдателя частота волны (которая равна$\nu_0$в кадре плоскости) кажется$\nu_a = \frac{\nu_0}{(1-v_j/c_s)}$когда самолет приближается, и$\nu_r = \frac{\nu_0}{(1+v_j/c_s)}$когда самолет удаляется (здесь$c_s$скорость звука и$v_j$скорость самолета). Таким образом, воспринимаемая частота скачков на коэффициент

$F = \left(\frac{1+v_j/c_s}{1-v_j/c_s} \right)$

Это означает, что коэффициент поглощения в то время, когда самолет пролетает над головой (таким образом,$x \approx H$, высота самолета над землей), прыгает с

$D_a = \exp \left(\frac{-\alpha H \nu_0^2 }{(1-v_j/c_s)^2}\right)$

к

$D_r = \exp\left(\frac{-\alpha H \nu_0^2 }{(1+v_j/c_s)^2}\right)$

Для типичных значений для атмосферы и распространения в ней звуковых волн это означает, что$D_a \ll 1$, в то время как$D_r \approx 1$.

Следовательно, когда самолет пролетает примерно над головой, звук переходит от глубокого поглощения, особенно на высоких частотах, к полному поглощению (это нормальный звук , как вы его называете). Странный звук, который вы заметили, это то, что вы воспринимаете, поскольку низкие частоты становятся все менее и менее поглощаемыми, и, таким образом, изменяется звуковой спектр.

РЕДАКТИРОВАТЬ 1 :

после того, как я написал свой ответ, DClayton (в комментарии выше) дал очень важную подсказку, что это именно то, что происходит, когда он заметил, что такой же эффект появляется с глайдерами , следовательно, это не связано со звуками двигателя (я проигнорировал это, спасибо) .

РЕДАКТИРОВАТЬ 2 :

также стоит отметить, что происходит с высотными самолетами при наблюдении с земли: в этом случае пройденное расстояние$x$достаточно велико, чтобы поглощались все частоты, слышимые человеческим ухом, так что самолет из почти бесшумного при приближении становится очень отчетливо заметным при удалении.

Вы можете попробовать это в ясный день с высокой влажностью на больших высотах, когда пролетающие над вами самолеты оставляют белые следы: вы не сможете их услышать, когда они приближаются (хотя вы можете их увидеть благодаря наличию белого следа). , но вы можете легко услышать их, когда они удаляются, но просто имейте в виду, что все это задерживается (значительным) временем, которое требуется звуку, чтобы достичь земли, что на высоте 33 000 футов или более составляет заказ 30 секунд. Другими словами, вы услышите заметное увеличение уровня шума примерно через 30 секунд после того, как струя пройдет ближайшую к наблюдателю точку, то есть через 30 секунд после полета прямо над головой.

Есть по крайней мере три эффекта, которые могут вызвать это

Эффект Допплера

Когда источник шума приближается к вам, вы слышите шум с более высоким тоном, а когда источник удаляется, вы слышите его с более низким тоном. Это можно описать следующей формулой, которая дает отношение частот, исходящих от вас, и частот, посылаемых источником шума, движущимся со скоростью$v$, со скоростью звука$c$:

$$\frac{f_{heard}}{f_{send}}=\frac{1}{1-\frac{v}{c}}$$

Поскольку самолеты проходят на некотором расстоянии, вы не можете просто ввести скорость самолета, а вот это:

$$v=\frac{v_{aircraft}\cdot x}{\sqrt{x^2+y^2}}$$ где x — расстояние по горизонтали, а y — расстояние по вертикали до самолета.

Я начертил это для двух разных скоростей и нескольких высот и отложил время до прохождения вас по оси x:

Это показывает, что общее смещение частоты больше для более высоких скоростей и что время развертки тем меньше, чем ближе самолет пролетает. НО авиалайнер не будет летать на высоте 1000 футов с 270 узлами, его больше 135 узлов.

В общем, самолет должен лететь на очень малой высоте, чтобы вызвать заметный эффект Доплера. Вот видео посадки A320 на YouTube , снятое возле взлетно-посадочной полосы.

Я не принимал во внимание другие эффекты, такие как изменение скорости звука с высотой. Также Мариус Матутиае тем временем написал что-то о поглощении звука в воздухе.

Двигатели

Что-то, что вы также можете наблюдать в этом видео на YouTube, это то, что вы можете ясно слышать высокий, кричащий шум фанатов в начале, который меняется на глухой грохот от реактивного взрыва после того, как он прошел мимо.

Закрылки

Большинство самолетов шумят при выпуске закрылков, и я бы сказал, что Avro RJ100 — один из самых громких авиалайнеров в этом отношении. Обратный эффект слышен при уборке закрылков, в том числе и изнутри самолета (2:40)