I romanen "The Secret of Two Oceans" og i eventyrfilmen med samme navn gjorde heltene ufattelige ting med ultralydvåpen: de ødela en stein, drepte en enorm hval og ødela skipet til deres fiender. Arbeidet ble publisert tilbake på 30-tallet av XX-tallet, og da ble det antatt at i nær fremtid ville eksistensen av et kraftig ultralydvåpen bli mulig - det handler om tilgjengeligheten av teknologi. I dag hevder vitenskapen at ultralydbølger som våpen er fantastiske.
En annen ting er bruken av ultralyd til fredelige formål (ultralydrengjøring, boring av hull, knusing av nyrestein osv.). Deretter skal vi forstå hvordan akustiske bølger med stor amplitude og lydintensitet oppfører seg.
Kraftig lydfunksjon
Det er et konsept med ikke-lineære effekter. Dette er effekter særegne noksterke bølger og avhengig av deres amplitude. I fysikk er det til og med en spesiell seksjon som studerer kraftige bølger - ikke-lineær akustikk. Noen få eksempler på det hun undersøker er torden, undervannseksplosjoner, seismiske bølger fra jordskjelv. To spørsmål dukker opp.
- Først: hva er kraften til lyd?
- For det andre: hva er ikke-lineære effekter, hva er uvanlig med dem, hvor brukes de?
Hva er en akustisk bølge
En lydbølge er en del av kompresjon-sjeldenhet som divergerer i mediet. På alle steder endres trykket. Dette skyldes en endring i kompresjonsforholdet. Endringer som er lagt på det første trykket som var i miljøet kalles lydtrykk.
Sonic energiflyt
En bølge har energi som deformerer mediet (hvis lyd forplanter seg i atmosfæren, er dette energien til elastisk deformasjon av luft). I tillegg har bølgen den kinetiske energien til molekylene. Retningen til energistrømmen faller sammen med den der lyden divergerer. Strømmen av energi som går gjennom en enhetsareal per tidsenhet karakteriserer intensiteten. Og dette refererer til området vinkelrett på bølgens bevegelse.
Intensity
Både intensitet I og akustisk trykk p avhenger av mediets egenskaper. Vi vil ikke dvele ved disse avhengighetene, vi vil bare gi lydintensitetsformelen som relaterer p, I og egenskapene til mediet - tettheten (ρ) og lydhastigheten i mediet (c):
I=p02/2ρc.
Herp0 - akustisk trykkamplitude.
Hva er sterk og svak støy? Kraften (N) bestemmes vanligvis av nivået av lydtrykk - en verdi som er assosiert med amplituden til bølgen. Enheten for lydintensitet er desibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Her pp er terskeltrykket betinget lik 2×10-5 Pa. Trykk pp tilsvarer omtrent intensiteten Ip=10-12 W/m2 er en veldig svak lyd som fortsatt kan oppfattes av det menneskelige øret i luft med en frekvens på 1000 Hz. Lyden er sterkere jo høyere det akustiske trykknivået er.
Volum
Subjektive ideer om styrken til lyd er assosiert med begrepet loudness, det vil si at de er knyttet til frekvensområdet som oppfattes av øret (se tabell).
Og hva med når frekvensen ligger utenfor dette området - innen ultralyd? Det er i denne situasjonen (under eksperimenter med ultralyd ved frekvenser i størrelsesorden 1 megahertz) at det er lettere å observere ikke-lineære effekter under laboratorieforhold. Vi konkluderer med at det er fornuftig å kalle kraftige akustiske bølger der ikke-lineære effekter blir merkbare.
ikke-lineære effekter
Det er kjent at en vanlig (lineær) bølge, hvis lydintensitet er lav, forplanter seg i et medium uten å endre form. I dette tilfellet beveger både sjeldne områder og kompresjonsregioner seg i rommet med samme hastighet - dette er lydhastigheten i mediet. Hvis kildengenererer en bølge, så forblir profilen i form av en sinusoid i hvilken som helst avstand fra den.
I en intens lydbølge er bildet annerledes: områder med kompresjon (lydtrykket er positivt) beveger seg med en hastighet som overstiger lydhastigheten, og områder med sjeldenhet - med en hastighet som er mindre enn lydhastigheten i et gitt medium. Som et resultat endrer profilen seg mye. Frontflatene blir veldig bratte, og baksiden av bølgen blir mer skånsom. Slike sterke formendringer er den ikke-lineære effekten. Jo sterkere bølgen er, desto større amplitude, desto raskere blir profilen forvrengt.
I lang tid ble det ansett som mulig å overføre høye energitettheter over lange avstander ved hjelp av en akustisk stråle. Et inspirerende eksempel var en laser som var i stand til å ødelegge strukturer, slå hull og være på stor avstand. Det ser ut til at det er mulig å erstatte lys med lyd. Det er imidlertid vanskeligheter som gjør det umulig å lage et ultralydvåpen.
Det viser seg at for enhver distanse er det en grenseverdi for intensiteten til lyden som vil nå målet. Jo større avstand, jo lavere intensitet. Og den vanlige dempingen av akustiske bølger når de passerer gjennom mediet har ingenting med det å gjøre. Dempingen øker markant med økende frekvens. Den kan imidlertid velges slik at den vanlige (lineære) dempningen ved de nødvendige avstandene kan neglisjeres. For et signal med en frekvens på 1 MHz i vann er dette 50 m, for ultralyd med tilstrekkelig stor amplitude kan det bare være 10 cm.
La oss forestille oss at en bølge genereres et sted i rommet, intensitetenhvis lyd er slik at ikke-lineære effekter vil påvirke oppførselen betydelig. Oscillasjonsamplituden vil avta med avstanden fra kilden. Dette vil skje jo tidligere, desto større er initialamplituden p0. Ved svært høye verdier avhenger ikke bølgens forfallshastighet av verdien til startsignalet p0. Denne prosessen fortsetter til bølgen avtar og de ikke-lineære effektene stopper. Etter det vil den divergere i en ikke-lineær modus. Ytterligere dempning skjer i henhold til lovene for lineær akustikk, dvs. den er mye svakere og avhenger ikke av størrelsen på den innledende forstyrrelsen.
Hvordan brukes ultralyd med hell i mange bransjer: de bores, renses osv. Med disse manipulasjonene er avstanden fra emitteren liten, så den ikke-lineære dempningen har ennå ikke rukket å få fart.
Hvorfor har sjokkbølger så sterk effekt på hindringer? Det er kjent at eksplosjoner kan ødelegge strukturer som ligger ganske langt unna. Men sjokkbølgen er ikke-lineær, så nedbrytningshastigheten må være høyere enn for svakere bølger.
Konklusjonen er dette: et enkelt signal fungerer ikke som et periodisk. Toppverdien avtar med avstanden fra kilden. Ved å øke amplituden til bølgen (for eksempel styrken til eksplosjonen), er det mulig å oppnå store trykk på hindringen på en gitt (selv om liten) avstand og dermed ødelegge den.
