În romanul „Secretul a două oceane” și în filmul de aventură cu același nume, eroii au făcut lucruri inimaginabile cu arme cu ultrasunete: au distrus o stâncă, au ucis o balenă uriașă și au distrus nava lor. inamici. Lucrarea a fost publicată în anii 30 ai secolului XX și apoi s-a crezut că, în viitorul apropiat, existența unei arme puternice cu ultrasunete va deveni posibilă - totul este despre disponibilitatea tehnologiei. Astăzi, știința susține că undele ultrasonice ca arme sunt fantastice.
Un alt lucru este utilizarea ultrasunetelor în scopuri pașnice (curățare cu ultrasunete, găuri, zdrobirea pietrelor la rinichi etc.). În continuare, vom înțelege cum se comportă undele acustice cu amplitudine mare și intensitate a sunetului.
Funcție de sunete puternice
Există un concept de efecte neliniare. Acestea sunt efecte destul de deosebiteunde puternice şi în funcţie de amplitudinea lor. În fizică, există chiar și o secțiune specială care studiază undele puternice - acustica neliniară. Câteva exemple din ceea ce investighează sunt tunetele, exploziile subacvatice, undele seismice de la cutremure. Apar două întrebări.
- În primul rând: care este puterea sunetului?
- Al doilea: ce sunt efectele neliniare, ce este neobișnuit la ele, unde sunt folosite?
Ce este o undă acustică
O undă sonoră este o secțiune de compresie-rarefacție care diverge în mediu. În oricare dintre locurile sale, presiunea se schimbă. Acest lucru se datorează unei modificări a raportului de compresie. Modificările suprapuse presiunii inițiale care a fost în mediu se numesc presiune sonoră.
Flux de energie sonică
O undă are energie care deformează mediul (dacă sunetul se propagă în atmosferă, atunci aceasta este energia de deformare elastică a aerului). În plus, unda are energia cinetică a moleculelor. Direcția fluxului de energie coincide cu cea în care sunetul diverge. Fluxul de energie care trece printr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp caracterizează intensitatea. Și aceasta se referă la zona perpendiculară pe mișcarea undei.
Intensitate
Atât intensitatea I, cât și presiunea acustică p depind de proprietățile mediului. Nu ne vom opri asupra acestor dependențe, vom da doar formula intensității sunetului raportând p, I și caracteristicile mediului - densitatea (ρ) și viteza sunetului în mediu (c):
I=p02/2ρc.
Aicip0 - amplitudinea presiunii acustice.
Ce este zgomotul puternic și slab? Forța (N) este determinată de obicei de nivelul presiunii sonore - o valoare care este asociată cu amplitudinea undei. Unitatea de măsură a intensității sunetului este decibelul (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Aici pp este presiunea de prag luată condiționat egal cu 2×10-5 Pa. Presiunea pp corespunde aproximativ intensității Ip=10-12 W/m2 este un sunet foarte slab care poate fi încă perceput de urechea umană în aer la o frecvență de 1000 Hz. Sunetul este mai puternic cu cât nivelul presiunii acustice este mai mare.
Volum
Ideile subiective despre puterea sunetului sunt asociate cu conceptul de volum, adică sunt legate de intervalul de frecvență perceput de ureche (vezi tabelul).
Și ce zici când frecvența se află în afara acestui interval - în domeniul ultrasunetelor? În această situație (în timpul experimentelor cu ultrasunete la frecvențe de ordinul a 1 megahertz) este mai ușor de observat efecte neliniare în condiții de laborator. Concluzionăm că este logic să numim unde acustice puternice pentru care efectele neliniare devin vizibile.
Efecte neliniare
Se știe că o undă obișnuită (liniară), a cărei intensitate a sunetului este scăzută, se propagă într-un mediu fără a-și schimba forma. În acest caz, atât regiunile de rarefacție, cât și cele de compresie se mișcă în spațiu cu aceeași viteză - aceasta este viteza sunetului în mediu. Dacă sursagenerează o undă, apoi profilul acesteia rămâne sub forma unei sinusoide la orice distanță de aceasta.
Într-o undă sonoră intensă, imaginea este diferită: zonele de compresie (presiunea sunetului este pozitivă) se mișcă cu o viteză care depășește viteza sunetului și zonele de rarefacție - cu o viteză mai mică decât viteza sunetului în un mediu dat. Drept urmare, profilul se schimbă foarte mult. Suprafețele frontale devin foarte abrupte, iar spatele valului devine mai blând. Astfel de schimbări puternice de formă sunt efectul neliniar. Cu cât unda este mai puternică, cu atât este mai mare amplitudinea sa, cu atât profilul este mai rapid distorsionat.
De mult timp s-a considerat posibilă transmiterea densităților mari de energie pe distanțe mari folosind un fascicul acustic. Un exemplu inspirant a fost un laser capabil să distrugă structuri, să facă găuri, fiind la mare distanță. Se pare că înlocuirea luminii cu sunetul este posibilă. Cu toate acestea, există dificultăți care fac imposibilă crearea unei arme cu ultrasunete.
Se pare că pentru orice distanță există o valoare limită pentru intensitatea sunetului care va ajunge la țintă. Cu cât distanța este mai mare, cu atât intensitatea este mai mică. Iar atenuarea obișnuită a undelor acustice la trecerea prin mediu nu are nicio legătură cu asta. Atenuarea crește semnificativ odată cu creșterea frecvenței. Cu toate acestea, poate fi aleasă astfel încât atenuarea obișnuită (liniară) la distanțele necesare să poată fi neglijată. Pentru un semnal cu o frecvență de 1 MHz în apă, acesta este de 50 m, pentru ultrasunete de o amplitudine suficient de mare, poate fi de numai 10 cm.
Să ne imaginăm că se generează un val într-un loc din spațiu, intensitateaal cărui sunet este astfel încât efectele neliniare îi vor afecta în mod semnificativ comportamentul. Amplitudinea oscilației va scădea odată cu distanța de la sursă. Acest lucru se va întâmpla cu cât mai devreme, cu atât este mai mare amplitudinea inițială p0. La valori foarte mari, rata de dezintegrare a undei nu depinde de valoarea semnalului inițial p0. Acest proces continuă până când valul scade și efectele neliniare se opresc. După aceea, va diverge într-un mod neliniar. O atenuare suplimentară are loc conform legilor acusticii liniare, adică este mult mai slabă și nu depinde de magnitudinea perturbației inițiale.
Cum se utilizează atunci cu succes ultrasunetele în multe industrii: sunt găurite, curățate etc. Cu aceste manipulări, distanța de la emițător este mică, astfel încât atenuarea neliniară nu a avut încă timp să capete avânt.
De ce undele de șoc au un efect atât de puternic asupra obstacolelor? Se știe că exploziile pot distruge structuri situate destul de departe. Dar unda de șoc este neliniară, așa că rata de dezintegrare trebuie să fie mai mare decât cea a undelor mai slabe.
Linia de jos este aceasta: un singur semnal nu acționează ca unul periodic. Valoarea sa de vârf scade odată cu distanța de la sursă. Prin creșterea amplitudinii undei (de exemplu, puterea exploziei), este posibil să se realizeze presiuni mari asupra obstacolului la o anumită distanță (chiar dacă este mică) și, prin urmare, să-l distrugă.
