thumb|upright=1.2|Sursa sonoră se deplasează cu o viteză de 1,4 ori mai mare decât viteza sunetului (Mach 1,4). Deoarece sursa se mișcă mai repede decât undele sonore pe care le creează, aceasta se află în vârful frontului de undă care avansează. thumb|right|upright=1.2|Un bang sonic produs de o aeronavă care se mișcă cu M 2,92, calculat din unghiul conului de 20°. Observatorii nu aud nimic până când unda de șoc, situată pe pânza conului nu traversează poziția lor. thumb|upright=1.2|Unghiul conului Mach thumb|upright=1.2|Date NASA care arată semnătura undelor N thumb|upright=1.2|Undă de șoc conică cu zona de contact cu solul în formă de hiperbolă, de culoare galbenă
Un bang sonicVictor Donciu, Eugenia Tașcău, Dicționar de aviație, București: Ed. Pro Universitaria, 2021, este un sunet asociat cu undele de șoc create atunci când un obiect se mișcă prin aer mai repede decât viteza sunetului. Bangurile sonice generează cantități enorme de energie sonoră, sunând pentru urechea umană similar cu o explozie sau un tunet.
Trosnetul unui glonț supersonic care trece deasupra capului sau pocnetul unui bici sunt exemple de bang sonic de intensitate mică.
Bangurile sonice produse de aeronavele supersonice mari pot fi deosebit de puternice și surprinzătoare, tind să trezească oamenii și pot provoca daune minore unor structuri. Acest lucru a dus la interzicerea zborului supersonic curent deasupra uscatului. Deși bangurile sonice nu pot fi prevenite complet, cercetările sugerează că, prin modelarea atentă a vehiculului, disconfortul cauzat de bangurile sonice poate fi redus până la punctul în care zborul supersonic deasupra uscatului ar putea deveni fezabil.
Un bang sonic nu se produce doar în momentul în care un obiect traversează bariera sunetului și nici nu se aude în toate direcțiile provenind de la obiectul supersonic. Bangul este un efect continuu care apare în timp ce obiectul se deplasează cu viteze supersonice și afectează doar observatorii care sunt poziționați într-un punct care intersectează o regiune în formă de con în spatele obiectului. Pe măsură ce obiectul se mișcă, această regiune conică se mișcă și ea în spatele lui, iar când conul trece peste observatori, aceștia vor auzi pentru scurt timp „bangul”.
Cauze Când o aeronavă se deplasează prin aer, aceasta creează o serie de unde de presiune în fața și în spatele aeronavei, similare cu undele de prova și pupa create de o ambarcațiune. Aceste unde se deplasează cu viteza sunetului și, pe măsură ce viteza obiectului crește, undele sunt forțate să se comprime sau să se unească deoarece nu se pot da la o parte suficient de repede. În cele din urmă ele se contopesc într-o singură undă de șoc, care se deplasează cu viteza sunetului, o viteză critică cunoscută sub numele de „Mach 1”, care este de aproximativ 1235 km/h la nivelul mării și 20 °C.
În zborul lin, unda de șoc începe la botul aeronavei și se termină la coadă. Deoarece diferitele direcții radiale în jurul direcției de deplasare a aeronavei sunt echivalente (având în vedere condiția de „zbor lin”), unda de șoc formează un con Mach, similar unui con de vapori, cu aeronava în vârful său. Semiunghiul dintre direcția de zbor și unda de șoc este dat de:
unde este inversul numărului Mach cu care zboară aeronava Astfel, cu cât avionul se deplasează mai repede, cu atât conul este mai ascuțit.
Există o creștere a presiunii la nivelul botului, care scade constant până la o presiune negativă la nivelul cozii, urmată de o revenire bruscă la presiunea normală după trecerea obiectului. Acest „profil de suprapresiune” este cunoscut sub numele de „undă N” datorită formei sale. Bangul se resimte atunci când există o schimbare bruscă a presiunii; prin urmare, o undă N provoacă două banguri – unul când creșterea inițială a presiunii ajunge la un observator și altul când presiunea revine la normal. Acest lucru duce la un „bang dublu” distinctiv, specific unei aeronave supersonice. Când aeronava manevrează, distribuția presiunii se schimbă în diferite forme, cu o formă caracteristică de undă U.
Întrucât bangul este generat continuu atâta timp cât aeronava este supersonică, acesta trasează o cale îngustă pe sol, urmând traiectoria de zbor a aeronavei, cam ca un covor roșu care se desfășoară, și de aceea este cunoscut sub numele de „covorul bangului”. Lățimea sa depinde de altitudinea aeronavei. Distanța de la punctul de pe sol unde se aude boom-ul până la aeronavă depinde de altitudinea acesteia și de unghiul de deviere
Pentru aeronavele supersonice de astăzi, în condiții normale de funcționare, suprapresiunea maximă variază de la mai puțin de 50 până la 500 Pa pentru o undă N. Suprapresiunile maxime pentru undele U sunt până la cinci ori mai mari decât unda N, dar această suprapresiune are impact doar pe o suprafață foarte mică în comparație cu suprafața expusă restului bangului sonic. Cel mai puternic bang sonic înregistrat vreodată a fost de 7000 Pa și nu a provocat vătămări cercetătorilor care au fost expuși la ea. Bangul a fost produs de un F-4 care zbura puțin peste viteza sunetului la o altitudine de 30 m. În testele recente, bangul maxim măsurat în condiții de zbor mai realiste a fost de 1010 Pa. Există probabilitatea ca un bang sonic să provoace unele daune – de exemplu, sticlă spartă. Clădirile în stare bună nu ar trebui să sufere daune din cauza unor presiuni de 530 Pa sau mai puțin. Și, de obicei, expunerea comunității la bang sonic este sub 100 Pa. Mișcarea solului rezultată din bangul sonic este rară și este cu mult sub pragurile de deteriorare structurală acceptate de Biroul Minelor din SUA și alte agenții. USAF Fact Sheet 96-03, Armstrong Laboratory, 1996
Puterea, sau volumul sonor al undei de șoc depinde de cantitatea de aer accelerată, prin urmare de dimensiunea și forma aeronavei. Pe măsură ce aeronava are viteză mai mare, conul de șoc devine mai „strâns” în jurul aeronavei și devine mai slab până la punctul în care, la viteze și altitudini foarte mari, nu se aude niciun bang. „Lungimea” bangului din față până în spate depinde de lungimea aeronavei la o putere de 3/2. Prin urmare, aeronavele mai lungi își „întind” bangurile mai mult decât cele mici, ceea ce duce la o bang mai puțin puternic.
Mai multe unde de șoc mai mici se pot forma și de obicei se formează în alte puncte ale aeronavei, în principal în orice puncte convexe sau curbe, pe marginea aripii anterioare și în special la conul de admisie al aerului în motoare. Aceste unde de șoc secundare sunt cauzate de aerul forțat să-și schimbe direcția în jurul acestor puncte convexe, ceea ce generează o undă de șoc la viteze supersonice.
Undele de șoc ulterioare sunt ceva mai rapide decât prima, se deplasează mai repede și se adună cu unda de șoc principală la o oarecare distanță de aeronavă, creând o formă de undă N mult mai definită. Acest lucru maximizează atât amplitudinea, cât și „timpul de creștere” al undei de șoc, ceea ce face ca bangul să pară mai puternic. La majoritatea modelelor de aeronave, distanța caracteristică este de aproximativ 12000 m, ceea ce înseamnă că sub această altitudine boom-ul sonic va fi „mai slab”. Totuși, rezistența la această altitudine sau mai jos face ca deplasarea supersonică să fie deosebit de ineficientă, ceea ce reprezintă o problemă serioasă.
Măsurători și exemple Aeronavă Viteză[Mach] Altitudine[m] Presiune[Pa] SR-71 Blackbird 3+ 24 000 43 Concorde 2 16 000 93 F-104 Starfighter 1,93 15 000 38 Navetă spațială 1,5 18 000 60 Presiunea provocată de bangurile sonice cauzate de aeronave este adesea de câțiva zeci de Pa. Un vehicul care zboară la o altitudine mai mare va genera presiuni mai mici la sol, deoarece unda de șoc își reduce intensitatea pe măsură ce se răspândește departe de vehicul, dar bangurile sonice sunt mai puțin afectate de viteza vehiculului.
Atenuare thumb|La Centrul de Cercetare Glenn al NASA se desfășoară noi cercetări care ar putea ajuta la atenuarea bangului sonic produs de aeronavele supersonice. În 2010 a fost finalizată testarea la scară mare a unui model supersonic de con de admisie a aerului care ar produce un bang sonic redus, cu controlul curgerii prin micro-matrice. În imagine apare un inginer aerospațial de la NASA în tunelul aerodinamic, împreună cu modelul testat. La sfârșitul anilor 1950, când proiectele de (SST) erau urmărite în mod activ, se credea că, deși bangul ar fi foarte mare, problemele ar putea fi evitate prin zborul la o altitudine mai mare. Această presupunere s-a dovedit a fi falsă atunci când XB-70 Valkyrie a zburat pentru prima dată și s-a constatat că bangul era o problemă chiar și la 21000 m. În timpul acestor teste a fost caracterizată pentru prima dată unda N.
Richard Seebass și colegul său, Albert George, de la Universitatea Cornell au studiat problema pe larg și, în cele din urmă, au definit o „cifră de merit” pentru a caracteriza nivelurile de bang sonic ale diferitelor aeronave. Cifră de merit este în funcție de greutatea aeronavei și de lungimea acesteia. Cu cât această valoare este mai mică, cu atât aeronava generează un bang mai redus, cifre de aproximativ 1 sau mai mici fiind considerate acceptabile. Folosind acest calcul, au găsit cifre de aproximativ 1,4 pentru Concorde și 1,9 pentru Boeing 2707. Acest lucru a condamnat în cele din urmă majoritatea proiectelor SST, deoarece resentimentul public, amestecat cu politica, a dus în cele din urmă la legi care au făcut ca orice astfel de aeronavă să fie mai puțin utilă (de exemplu, zburând supersonic doar deasupra apei). Modelele de avioane mici, cum ar fi , sunt preferate și tind să producă banguri sonore minime sau deloc.
Bazându-se pe cercetările anterioare ale lui L. B. Jones, Seebass și George au identificat condițiile în care undele de șoc ale bangului sonic puteau fi eliminate. Această lucrare a fost dezvoltată de Christine. M. Darden și descrisă ca teoria Jones-Seebass-George-Darden a minimizării bangului sonic. Această teorie a abordat problema dintr-un punct de vedere diferit, încercând să disipe unda N lateral și temporal (longitudinal), prin producerea unei unde de șoc puternică și focalizată în jos (SR-71 Blackbird, NASA X-43) la un con frontal ascuțit, dar cu unghi larg, care se va deplasa la o viteză ușor supersonică și folosind o aripă zburătoare înclinată înapoi sau o în săgeată pentru a netezi acest șoc de-a lungul direcției de zbor (coada șocului se deplasează la viteză sonică). Pentru a adapta acest principiu la avioanele existente, care generează o undă șoc la bot și una și mai puternică la bordul de atac al aripii, fuselajul de sub aripă este modelat conform legii ariilor. În mod ideal, aceasta ar ridica altitudinea caracteristică de la 12000 m la 18000 m, unde se aștepta să zboare majoritatea aeronavelor SST.
thumb|NASA F-5E modificat pentru testele DARPA de bang sonic Acest lucru a rămas netestat timp de decenii, până când DARPA a început proiectul și a finanțat realizarea unei aeronave de test (SSBD), un F-5E, care a fost modificat la o formă extrem de rafinată, care a lungit botul la cel al modelului F-5F. Carenajul botului se întindea de la bot până la gurile de admisie de pe partea laterală a aeronavei. SSBD a fost testat timp de doi ani, efectuându-se 21 de zboruri și a fost un studiu amplu asupra caracteristicilor bangului sonic. După măsurarea celor 1300 de înregistrări, unele realizate în interiorul undei de șoc de către un avion de urmărire, SSBD a demonstrat o reducere a bangului cu aproximativ o treime. Deși o treime nu este o reducere uriașă, ar fi putut reduce bangul Concorde la un nivel acceptabil, sub cifra de merit 1.
Unele modele teoretice, cum ar fi biplanul Busemann, nu par să creeze deloc banguri sonice. Însă dacă acesta generează portanță, crearea unei unde de șoc este inevitabilă.