¿Qué hace el ruido de picada cuando un avión vuela por encima?

El efecto que notó es el resultado de la combinación del efecto Doppler y la absorción del sonido.

La absorción del sonido en un fluido es proporcional a

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

donde$\alpha$es una constante dimensional,$x$es el camino recorrido, y$\nu$es la frecuencia del sonido.

En su propio marco de referencia, el avión emite siempre el mismo sonido, independientemente de si se acerca o se aleja del observador. Pero para el observador, la frecuencia de una onda (que es$\nu_0$en el marco del plano) parece$\nu_a = \frac{\nu_0}{(1-v_j/c_s)}$cuando el avión se aproxima, y$\nu_r = \frac{\nu_0}{(1+v_j/c_s)}$cuando el avión se aleja (aquí$c_s$es la velocidad del sonido y$v_j$la velocidad del avión). Así, la frecuencia percibida salta por un factor

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

Esto significa que el coeficiente de absorción, en el momento en que el avión pasa por encima (por lo tanto$x \approx H$, la altura del avión sobre el suelo), salta desde

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

a

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

Para valores típicos de la atmósfera y la propagación de ondas sonoras en ella, esto significa que$D_a \ll 1$, tiempo$D_r \approx 1$.

Por lo tanto, lo que sucede es que, cuando el avión pasa más o menos por encima, el sonido pasa de ser profundamente absorbido, especialmente en las frecuencias altas, a no ser absorbido en absoluto (su sonido normal , como usted lo llama). El sonido extraño que notó es lo que percibe a medida que las frecuencias más bajas se absorben cada vez menos y, por lo tanto, el espectro de sonido cambia.

EDITAR 1 :

después de escribir mi respuesta, DClayton (en un comentario anterior) dio una pista muy importante de que esto es exactamente lo que está sucediendo cuando notó que el mismo efecto aparece con los planeadores , por lo tanto, no está relacionado con los sonidos del motor (ignoré esto, gracias) .

EDITAR 2 :

también vale la pena señalar lo que sucede para los aviones de gran altura, cuando se observan desde el suelo: en ese caso, la distancia recorrida$x$es lo suficientemente grande como para absorber todas las frecuencias audibles para los oídos humanos, de modo que el avión pasa de estar casi en silencio cuando se acerca a ser muy claramente perceptible cuando se aleja.

Puede probar esto en un día despejado con mucha humedad a gran altura, cuando los jets que sobrevuelan dejan estelas blancas: no podrá escucharlos cuando se acerquen (aunque puede verlos gracias a la presencia de la estela blanca) , pero puede escucharlos fácilmente a medida que se alejan, pero tenga en cuenta que todo esto se retrasa por el tiempo (sustancial) que tarda el sonido en llegar al suelo, que, a 33,0000 pies o más, es de orden 30 segundos. En otras palabras, escuchará que el nivel de ruido aumenta perceptiblemente unos 30 segundos después de que el avión haya pasado por el punto más cercano al observador, es decir , 30 segundos después de volar directamente sobre su cabeza.

Hay al menos tres efectos que pueden causar esto

Efecto Doppler

Cuando una fuente de ruido se mueve hacia usted, escuchará el ruido con un tono más alto, y cuando la fuente se aleje, lo escuchará con un tono más bajo. Esto se puede describir mediante esta fórmula, que da la relación de frecuencias que usted dirige y las que envía la fuente del ruido que se mueve con velocidad.$v$, a la velocidad del sonido$c$:

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

Dado que los aviones pasan a cierta distancia, no puede simplemente ingresar la velocidad del avión, sino esto:

$$v=\frac{v_{aircraft}\cdot x}{\sqrt{x^2+y^2}}$$ donde x es la distancia horizontal e y la distancia vertical a la aeronave.

Tracé esto para dos velocidades diferentes y varias altitudes, y puse el tiempo hasta pasarte en el eje x:

Esto muestra que el cambio total en frecuencia es mayor para velocidades más altas y que el tiempo que toma el barrido es más corto cuanto más cerca pasa el avión. PERO un avión comercial no volará a 1000 pies con 270 nudos, son más de 135 nudos.

En general, el avión tiene que volar a una altitud muy baja para causar un efecto doppler notable. Aquí hay un video de YouTube de un aterrizaje A320, grabado cerca de la pista.

No tomé en cuenta otros efectos como que la velocidad del sonido cambia con la altitud. También Marius Matutiae mientras tanto escribió algo sobre la absorción del sonido en el aire.

Motores

Algo que también puedes observar en ese video de YouTube es que puedes escuchar claramente un ruido alto y un grito de los fanáticos al principio, que cambia a un ruido sordo del chorro de aire después de que pasó.

Flaps

La mayoría de los aviones hacen algo de ruido al desplegar los flaps, y yo diría que el Avro RJ100 es uno de los aviones más ruidosos en este sentido. El efecto inverso se escucha al retraer los flaps, también desde el interior de la aeronave (2:40)