V romanu "Skrivnost dveh oceanov" in v istoimenskem pustolovskem filmu so junaki z ultrazvočnim orožjem naredili nepredstavljive stvari: uničili so skalo, ubili ogromnega kita in uničili svojo ladjo. sovražniki. Delo je bilo objavljeno v 30-ih letih XX stoletja in takrat se je verjelo, da bo v bližnji prihodnosti mogoč obstoj močnega ultrazvočnega orožja - vse je odvisno od razpoložljivosti tehnologije. Danes znanost trdi, da so ultrazvočni valovi kot orožje fantastični.
Druga stvar je uporaba ultrazvoka v miroljubne namene (ultrazvočno čiščenje, vrtanje lukenj, drobljenje ledvičnih kamnov itd.). Nato bomo razumeli, kako se obnašajo akustični valovi z veliko amplitudo in jakostjo zvoka.
Zmogljiva funkcija zvokov
Obstaja koncept nelinearnih učinkov. To so učinki, ki so dovolj nenavadnimočnih valov in odvisno od njihove amplitude. V fiziki obstaja celo poseben odsek, ki preučuje močne valove - nelinearno akustiko. Nekaj primerov tega, kar raziskuje, je grmenje, podvodne eksplozije, potresni valovi. Postavljata se dve vprašanji.
- Prva: kakšna je moč zvoka?
- Drugo: kaj so nelinearni učinki, kaj je na njih nenavadnega, kje se uporabljajo?
Kaj je akustični val
Zvočni val je odsek stiskanja in redčenja, ki se v mediju razhaja. Na katerem koli mestu se tlak spremeni. To je posledica spremembe kompresijskega razmerja. Spremembe, ki se nanašajo na začetni tlak v okolju, se imenujejo zvočni tlak.
Zvočni energijski tok
Val ima energijo, ki deformira medij (če se zvok širi v atmosferi, potem je to energija elastične deformacije zraka). Poleg tega ima val kinetično energijo molekul. Smer toka energije sovpada s tisto, v kateri se zvok razhaja. Pretok energije, ki poteka skozi enoto površine na enoto časa, označuje intenzivnost. In to se nanaša na območje, pravokotno na gibanje vala.
Intenzivnost
Intenzivnost I in zvočni tlak p sta odvisna od lastnosti medija. Ne bomo se zadrževali na teh odvisnostih, dali bomo le formulo za jakost zvoka, ki se nanaša na p, I in značilnosti medija - gostoto (ρ) in hitrost zvoka v mediju (c):
I=p02/2ρc.
Tukajp0 - amplituda akustičnega tlaka.
Kaj je močan in šibek hrup? Silo (N) običajno določa raven zvočnega tlaka - vrednost, ki je povezana z amplitudo vala. Enota za jakost zvoka je decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Tukaj je pp mejni tlak, ki je pogojno enak 2×10-5 Pa. Tlak pp približno ustreza intenzivnosti Ip=10-12 W/m2 je zelo šibek zvok, ki ga človeško uho še vedno lahko zazna v zraku pri frekvenci 1000 Hz. Zvok je močnejši, višja je raven akustičnega tlaka.
Zvezek
Subjektivne ideje o jakosti zvoka so povezane s pojmom glasnosti, torej so vezane na frekvenčno območje, ki ga zaznava uho (glej tabelo).
Kaj pa, ko je frekvenca zunaj tega območja - na področju ultrazvoka? V tej situaciji (med poskusi z ultrazvokom pri frekvencah reda 1 megaherca) je v laboratorijskih pogojih lažje opazovati nelinearne učinke. Ugotavljamo, da je smiselno imenovati močne akustične valove, pri katerih postanejo opazni nelinearni učinki.
Nelinearni učinki
Poznano je, da se navaden (linearni) val, katerega zvočna jakost je nizka, širi v mediju, ne da bi spremenil svojo obliko. V tem primeru se tako območje redčenja kot stiskanja premikata v prostoru z enako hitrostjo - to je hitrost zvoka v mediju. Če je virustvari val, potem njegov profil ostane v obliki sinusoida na kateri koli razdalji od njega.
V intenzivnem zvočnem valu je slika drugačna: območja stiskanja (zvočni tlak je pozitiven) se premikajo s hitrostjo, ki presega hitrost zvoka, območja redčenja pa s hitrostjo, ki je manjša od hitrosti zvoka v danega medija. Posledično se profil zelo spremeni. Sprednje površine postanejo zelo strme, zadnji del vala pa bolj nežen. Tako močne spremembe oblike so nelinearni učinek. Močnejši kot je val, večja je njegova amplituda, hitreje je profil popačen.
Dolgo časa je veljalo, da je mogoče prenašati visoko gostoto energije na dolge razdalje z uporabo akustičnega žarka. Navdihujoč primer je bil laser, ki je sposoben uničiti strukture, luknjati, biti na veliki razdalji. Zdi se, da je zamenjava svetlobe z zvokom možna. Vendar pa obstajajo težave, zaradi katerih je nemogoče ustvariti ultrazvočno orožje.
Izkazalo se je, da za katero koli razdaljo obstaja mejna vrednost za intenzivnost zvoka, ki bo dosegel cilj. Večja kot je razdalja, nižja je intenzivnost. In običajno dušenje akustičnih valov pri prehodu skozi medij nima nič opraviti s tem. Z naraščajočo frekvenco se oslabitev izrazito povečuje. Lahko pa se izbere tako, da običajno (linearno) dušenje na zahtevanih razdaljah zanemarimo. Za signal s frekvenco 1 MHz v vodi je to 50 m, za ultrazvok dovolj velike amplitude je lahko le 10 cm.
Predstavljajmo si, da na nekem mestu v prostoru nastane val, intenzivnostkaterega zvok je takšen, da bodo nelinearni učinki bistveno vplivali na njegovo obnašanje. Amplituda nihanja se bo z oddaljenostjo od vira zmanjšala. To se bo zgodilo prej, večja je začetna amplituda p0. Pri zelo visokih vrednostih stopnja upadanja vala ni odvisna od vrednosti začetnega signala p0. Ta proces se nadaljuje, dokler val ne razpade in se nelinearni učinki ustavijo. Po tem se bo razlikovala v nelinearnem načinu. Nadaljnje slabljenje poteka po zakonih linearne akustike, torej je veliko šibkejše in ni odvisno od velikosti začetne motnje.
Kako se ultrazvok uspešno uporablja v številnih panogah: vrtajo, čistijo itd. S temi manipulacijami je razdalja od oddajnika majhna, tako da nelinearno dušenje še ni dobilo časa, da bi pridobilo zagon.
Zakaj udarni valovi tako močno vplivajo na ovire? Znano je, da lahko eksplozije uničijo strukture, ki se nahajajo precej daleč. Toda udarni val je nelinearen, zato mora biti stopnja razpadanja višja kot pri šibkejših valovih.
Bistvo je naslednje: en sam signal ne deluje kot periodični. Njegova najvišja vrednost se z oddaljenostjo od vira zmanjšuje. S povečanjem amplitude vala (na primer jakosti eksplozije) je mogoče doseči velike pritiske na oviro na dani (četudi majhni) razdalji in jo s tem uničiti.
