A "Két óceán titka" című regényben és az azonos című kalandfilmben a hősök elképzelhetetlen dolgokat műveltek ultrahangos fegyverekkel: elpusztítottak egy sziklát, megöltek egy hatalmas bálnát, és elpusztították a hajójukat. ellenségek. A munka a XX. század 30-as éveiben jelent meg, és akkor azt hitték, hogy a közeljövőben lehetővé válik egy erős ultrahangos fegyver létezése - minden a technológia elérhetőségéről szól. Ma a tudomány azt állítja, hogy az ultrahanghullámok mint fegyverek fantasztikusak.
Egy másik dolog az ultrahang békés célú alkalmazása (ultrahangos tisztítás, lyukak fúrása, vesekövek zúzása stb.). Ezután meg fogjuk érteni, hogyan viselkednek a nagy amplitúdójú és hangintenzitású akusztikus hullámok.
Erőteljes hangzás funkció
Van egy koncepció a nemlineáris hatásoknak. Ezek elég sajátos hatásokerős hullámok és amplitúdójuktól függően. A fizikában még egy speciális rész is található, amely az erőteljes hullámokat tanulmányozza - a nemlineáris akusztikát. Néhány példa arra, amit vizsgál: mennydörgés, víz alatti robbanások, földrengésekből származó szeizmikus hullámok. Két kérdés merül fel.
- Először: mi a hang ereje?
- Másodszor: mik a nemlineáris effektusok, mi a szokatlan bennük, hol használják őket?
Mi az akusztikus hullám
A hanghullám a tömörítés-ritkaság egy szakasza, amely eltér a közegben. Bármelyik helyén a nyomás megváltozik. Ennek oka a tömörítési arány változása. A környezetben lévő kezdeti nyomásra rárakódó változásokat hangnyomásnak nevezzük.
Sonic energiaáramlás
A hullámnak olyan energiája van, amely deformálja a közeget (ha a hang terjed a légkörben, akkor ez a levegő rugalmas deformációjának energiája). Ezenkívül a hullám rendelkezik a molekulák kinetikus energiájával. Az energiaáramlás iránya egybeesik azzal, amelyben a hang eltér. Az egységnyi területen áthaladó energiaáramlás egységnyi idő alatt jellemzi az intenzitást. És ez a hullám mozgására merőleges területre vonatkozik.
Intenzitás
Mind az I intenzitás, mind a p akusztikus nyomás a közeg tulajdonságaitól függ. Ezeken a függőségeken nem foglalkozunk, csak a p, I hangintenzitás képletét és a közeg jellemzőit - a sűrűséget (ρ) és a hang sebességét a közegben (c) adjuk meg:
I=p02/2ρc.
Ittp0 - akusztikus nyomás amplitúdója.
Mi az erős és gyenge zaj? Az erőt (N) általában a hangnyomás szintje határozza meg - ez az érték, amely a hullám amplitúdójához kapcsolódik. A hangerősség mértékegysége a decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Itt pp az a küszöbnyomás, amely feltételesen egyenlő 2×10-5 Pa. A pp nyomás nagyjából megfelel az Ip=10-12 W/m intenzitásnak A2 egy nagyon halk hang, amelyet az emberi fül még 1000 Hz-es frekvenciájú levegőben érzékel. A hang annál erősebb, minél magasabb az akusztikus nyomásszint.
Hangerő
A hang erősségével kapcsolatos szubjektív elképzelések a hangosság fogalmához kapcsolódnak, vagyis a fül által érzékelt frekvenciatartományhoz kötődnek (lásd a táblázatot).
És mi van akkor, ha a frekvencia ezen a tartományon kívül esik - az ultrahang területén? Ebben a helyzetben (az 1 megahertz nagyságrendű ultrahanggal végzett kísérletek során) könnyebb a nemlineáris hatások megfigyelése laboratóriumi körülmények között. Arra a következtetésre jutottunk, hogy ésszerű olyan erős akusztikus hullámokat nevezni, amelyeknél a nemlineáris hatások észrevehetők.
Nemlineáris effektusok
Ismert, hogy egy közönséges (lineáris) hullám, amelynek hangintenzitása alacsony, alakja megváltoztatása nélkül terjed a közegben. Ebben az esetben mind a ritkítás, mind a tömörítési régiók azonos sebességgel mozognak a térben - ez a hang sebessége a közegben. Ha a forráshullámot generál, akkor a profilja szinusz alakú marad tőle bármilyen távolságra.
Intenzív hanghullámban más a kép: a tömörítési területek (a hangnyomás pozitív) a hangsebességet meghaladó sebességgel mozognak, és a ritkulás területei - a hangsebességnél kisebb sebességgel egy adott közeg. Ennek eredményeként a profil sokat változik. Az elülső felületek nagyon meredekek, a hullám hátulja pedig lágyabbá válik. Az ilyen erős alakváltozás a nemlineáris hatás. Minél erősebb a hullám, annál nagyobb az amplitúdója, annál gyorsabban torzul a profil.
Sokáig lehetségesnek tartották a nagy energiasűrűség nagy távolságokra történő átvitelét akusztikus sugár segítségével. Inspiráló példa volt egy lézer, amely képes szerkezeteket rombolni, lyukakat ütni, nagy távolságban. Úgy tűnik, a fény hanggal való helyettesítése lehetséges. Vannak azonban olyan nehézségek, amelyek lehetetlenné teszik az ultrahangos fegyver létrehozását.
Kiderül, hogy bármely távolságra van határérték a célt elérő hang intenzitásának. Minél nagyobb a távolság, annál kisebb az intenzitás. És az akusztikus hullámok szokásos csillapításának a közegen való áthaladáskor semmi köze ehhez. A csillapítás a gyakoriság növekedésével jelentősen növekszik. Választható azonban úgy, hogy a szokásos (lineáris) csillapítás a szükséges távolságoknál elhanyagolható legyen. Vízben 1 MHz frekvenciájú jelnél ez 50 m, kellően nagy amplitúdójú ultrahangnál csak 10 cm lehet.
Képzeljük el, hogy egy hullám keletkezik valahol a térben, az intenzitásamelynek hangja olyan, hogy a nemlineáris hatások jelentősen befolyásolják a viselkedését. Az oszcillációs amplitúdó a forrástól való távolság növekedésével csökken. Ez minél előbb történik meg, annál nagyobb a kezdeti amplitúdó p0. Nagyon magas értékeknél a hullám csillapítási sebessége nem függ a kezdeti jel p0 értékétől. Ez a folyamat addig tart, amíg a hullám lecseng, és a nemlineáris hatások meg nem szűnnek. Ezt követően nemlineáris módban divergál. A további csillapítás a lineáris akusztika törvényei szerint történik, azaz sokkal gyengébb, és nem függ a kezdeti zavarás nagyságától.
Hogyan használják sikeresen az ultrahangot számos iparágban: fúrják, tisztítják stb. Ezekkel a manipulációkkal kicsi a távolság az emittertől, így a nemlineáris csillapításnak még nem volt ideje lendületet venni.
Miért vannak a lökéshullámok olyan erős hatással az akadályokra? Ismeretes, hogy a robbanások tönkretehetik a meglehetősen távol található építményeket. A lökéshullám azonban nem lineáris, ezért a csillapítási sebességnek nagyobbnak kell lennie, mint a gyengébb hullámoké.
A lényeg a következő: egyetlen jel nem úgy működik, mint egy periodikus jel. Csúcsértéke a forrástól való távolság növekedésével csökken. A hullám amplitúdójának (például a robbanás erősségének) növelésével lehetőség nyílik egy adott (még ha kicsi) távolságban is nagy nyomást elérni az akadályon, és ezáltal elpusztítani.
