Romānā "Divu okeānu noslēpums" un tāda paša nosaukuma piedzīvojumu filmā varoņi ar ultraskaņas ieročiem paveica neiedomājamas lietas: iznīcināja akmeni, nogalināja milzīgu vali un iznīcināja sava kuģi. ienaidniekiem. Darbs tika publicēts XX gadsimta 30. gados, un tad tika uzskatīts, ka tuvākajā nākotnē būs iespējama spēcīga ultraskaņas ieroča esamība - tas viss ir saistīts ar tehnoloģiju pieejamību. Mūsdienās zinātne apgalvo, ka ultraskaņas viļņi kā ieroči ir fantastiski.
Vēl viena lieta ir ultraskaņas izmantošana mierīgos nolūkos (ultraskaņas tīrīšana, caurumu urbšana, nierakmeņu drupināšana utt.). Tālāk mēs sapratīsim, kā uzvedas akustiskie viļņi ar lielu amplitūdu un skaņas intensitāti.
Spēcīga skaņas funkcija
Pastāv nelineāro efektu jēdziens. Tie ir pietiekami savdabīgi efektispēcīgi viļņi un atkarībā no to amplitūdas. Fizikā ir pat īpaša sadaļa, kas pēta spēcīgus viļņus - nelineāro akustiku. Daži piemēri tam, ko viņa pēta, ir pērkons, zemūdens sprādzieni, seismiskie viļņi no zemestrīcēm. Rodas divi jautājumi.
- Pirmkārt: kāds ir skaņas spēks?
- Otrā: kas ir nelineārie efekti, kas tajos ir neparasts, kur tie tiek izmantoti?
Kas ir akustiskais vilnis
Skaņas vilnis ir saspiešanas un retināšanas daļa, kas vidē atšķiras. Jebkurā no tā vietām spiediens mainās. Tas ir saistīts ar kompresijas pakāpes izmaiņām. Izmaiņas, kas uzliktas sākotnējam spiedienam, kas bija vidē, sauc par skaņas spiedienu.
Skaņas enerģijas plūsma
Viļnam ir enerģija, kas deformē vidi (ja skaņa izplatās atmosfērā, tad tā ir gaisa elastīgās deformācijas enerģija). Turklāt vilnim ir molekulu kinētiskā enerģija. Enerģijas plūsmas virziens sakrīt ar virzienu, kurā skaņa atšķiras. Enerģijas plūsma, kas iet caur laukuma vienību laika vienībā, raksturo intensitāti. Un tas attiecas uz laukumu, kas ir perpendikulārs viļņa kustībai.
Intensitāte
Gan intensitāte I, gan akustiskais spiediens p ir atkarīgi no vides īpašībām. Mēs nekavēsimies pie šīm atkarībām, mēs sniegsim tikai skaņas intensitātes formulu, kas attiecas uz p, I un vides īpašībām - blīvumu (ρ) un skaņas ātrumu vidē (c):
I=p02/2ρc.
Šeitp0 - akustiskā spiediena amplitūda.
Kas ir stiprs un vājš troksnis? Spēku (N) parasti nosaka skaņas spiediena līmenis - vērtība, kas saistīta ar viļņa amplitūdu. Skaņas intensitātes mērvienība ir decibels (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Šeit pp ir spiediena slieksnis, kas nosacīti pieņemts vienāds ar 2×10-5 Pa. Spiediens pp aptuveni atbilst intensitātei Ip=10-12 W/m2 ir ļoti vāja skaņa, ko cilvēka auss joprojām var uztvert gaisā ar frekvenci 1000 Hz. Skaņa ir spēcīgāka, jo augstāks ir akustiskā spiediena līmenis.
Skaļums
Subjektīvie priekšstati par skaņas stiprumu ir saistīti ar skaļuma jēdzienu, tas ir, tie ir saistīti ar auss uztveramo frekvenču diapazonu (sk. tabulu).
Un kā tad, ja frekvence atrodas ārpus šī diapazona - ultraskaņas jomā? Tieši šajā situācijā (eksperimentu laikā ar ultraskaņu 1 megaherca frekvencēs) ir vieglāk novērot nelineārus efektus laboratorijas apstākļos. Mēs secinām, ka ir jēga saukt spēcīgus akustiskos viļņus, kuriem kļūst pamanāmi nelineāri efekti.
Nelineārie efekti
Ir zināms, ka parasts (lineārs) vilnis, kura skaņas intensitāte ir zema, vidē izplatās, nemainot formu. Šajā gadījumā gan retināšanas, gan kompresijas apgabali pārvietojas telpā ar vienādu ātrumu - tas ir skaņas ātrums vidē. Ja avotsģenerē vilni, tad tā profils paliek sinusoīda formā jebkurā attālumā no tā.
Intensīvā skaņas viļņā attēls ir atšķirīgs: saspiešanas zonas (skaņas spiediens ir pozitīvs) pārvietojas ar ātrumu, kas pārsniedz skaņas ātrumu, un retināšanas zonas - ar ātrumu, kas mazāks par skaņas ātrumu dots medijs. Rezultātā profils ļoti mainās. Priekšējās virsmas kļūst ļoti stāvas, un viļņa aizmugure kļūst maigāka. Šādas spēcīgas formas izmaiņas ir nelineārais efekts. Jo spēcīgāks ir vilnis, jo lielāka ir tā amplitūda, jo ātrāk tiek izkropļots profils.
Ilgu laiku tika uzskatīts par iespējamu pārraidīt lielu enerģijas blīvumu lielos attālumos, izmantojot akustisko staru kūli. Iedvesmojošs piemērs bija lāzers, kas spēj iznīcināt konstrukcijas, izdurt caurumus, atrodoties lielā attālumā. Šķiet, ka gaismas aizstāšana ar skaņu ir iespējama. Tomēr ir grūtības, kuru dēļ nav iespējams izveidot ultraskaņas ieroci.
Izrādās, ka jebkuram attālumam ir robežvērtība skaņas intensitātei, kas sasniegs mērķi. Jo lielāks attālums, jo zemāka intensitāte. Un parastajai akustisko viļņu vājināšanai, izejot caur vidi, ar to nav nekāda sakara. Vājināšanās ievērojami palielinās, palielinoties biežumam. Taču to var izvēlēties tā, lai parasto (lineāro) vājināšanos vajadzīgajos attālumos varētu neievērot. Signālam ar frekvenci 1 MHz ūdenī tas ir 50 m, pietiekami lielas amplitūdas ultraskaņai tas var būt tikai 10 cm.
Iedomāsimies, ka kādā vietā kosmosā rodas vilnis, intensitātekura skaņa ir tāda, ka nelineārie efekti būtiski ietekmēs tā uzvedību. Svārstību amplitūda samazināsies līdz ar attālumu no avota. Tas notiks, jo ātrāk, jo lielāka būs sākotnējā amplitūda p0. Pie ļoti lielām vērtībām viļņa samazināšanās ātrums nav atkarīgs no sākotnējā signāla vērtības p0. Šis process turpinās, līdz vilnis samazinās un nelineārie efekti apstājas. Pēc tam tas novirzīsies nelineārā režīmā. Tālāka vājināšanās notiek saskaņā ar lineārās akustikas likumiem, t.i., tā ir daudz vājāka un nav atkarīga no sākotnējā traucējuma lieluma.
Kā tad ultraskaņu veiksmīgi izmanto daudzās nozarēs: urbj, tīra utt. Ar šīm manipulācijām attālums no emitētāja ir mazs, tāpēc nelineārajai vājināšanai vēl nav bijis laika uzņemties impulsu.
Kāpēc triecienviļņi tik spēcīgi ietekmē šķēršļus? Ir zināms, ka sprādzieni var iznīcināt konstrukcijas, kas atrodas diezgan tālu. Taču triecienvilnis ir nelineārs, tāpēc samazinājuma ātrumam jābūt augstākam nekā vājākiem viļņiem.
Galvenais punkts ir šāds: viens signāls nedarbojas kā periodisks signāls. Tā maksimālā vērtība samazinās līdz ar attālumu no avota. Palielinot viļņa amplitūdu (piemēram, sprādziena spēku), ir iespējams sasniegt lielu spiedienu uz šķērsli noteiktā (pat ja nelielā) attālumā un tādējādi to iznīcināt.
