Romaanissa "Kahden v altameren salaisuus" ja samannimisessä seikkailuelokuvassa sankarit tekivät ultraääniaseilla käsittämättömiä asioita: he tuhosivat kiven, tappoivat v altavan valaan ja tuhosivat heidän aluksensa. viholliset. Teos julkaistiin XX vuosisadan 30-luvulla, ja sitten uskottiin, että lähitulevaisuudessa tehokkaan ultraääni-aseen olemassaolo tulee mahdolliseksi - kyse on tekniikan saatavuudesta. Nykyään tiede väittää, että ultraääniaallot aseina ovat fantastisia.
Toinen asia on ultraäänen käyttö rauhanomaisiin tarkoituksiin (ultraäänipuhdistus, reikien poraus, munuaiskivien murskaus jne.). Seuraavaksi ymmärrämme kuinka suuren amplitudin ja äänenvoimakkuuden omaavat akustiset aallot käyttäytyvät.
Tehokkaat äänet
On olemassa epälineaaristen tehosteiden käsite. Nämä ovat vain tarpeeksi erikoisia vaikutuksiavoimakkaat aallot ja riippuen niiden amplitudista. Fysiikassa on jopa erityinen osa, joka tutkii voimakkaita a altoja - epälineaarista akustiikkaa. Muutamia esimerkkejä hänen tutkimistaan ovat ukkonen, vedenalaiset räjähdykset, maanjäristysten seismiset aallot. Kaksi kysymystä herää.
- Ensin: mikä on äänen voima?
- Toiseksi: mitä ovat epälineaariset tehosteet, mitä niissä on epätavallista, missä niitä käytetään?
Mikä on akustinen a alto
Äänia alto on puristus-harvinaisuuden osa, joka poikkeaa väliaineessa. Paine muuttuu kaikissa sen paikoissa. Tämä johtuu puristussuhteen muutoksesta. Muutoksia, jotka kohdistuvat ympäristössä olleeseen alkupaineeseen, kutsutaan äänenpaineeksi.
Äänienergian virtaus
Aallolla on energiaa, joka muuttaa väliaineen muotoa (jos ääni etenee ilmakehässä, tämä on ilman elastisen muodonmuutoksen energiaa). Lisäksi aallolla on molekyylien kineettinen energia. Energian virtaussuunta on sama kuin suunta, jossa ääni hajoaa. Pinta-alayksikköä kohti aikayksikköä kohti kulkeva energiavirta luonnehtii intensiteettiä. Ja tämä viittaa alueeseen, joka on kohtisuorassa aallon liikettä vastaan.
Intensiteetti
Sekä intensiteetti I että akustinen paine p riippuvat väliaineen ominaisuuksista. Emme käsittele näitä riippuvuuksia, annamme vain p:n, I:n ja väliaineen ominaisuudet - tiheyden (ρ) ja äänen nopeuden väliaineessa (c):
I=p02/2ρc.
Tässäp0 - akustisen paineen amplitudi.
Mitä on voimakas ja heikko kohina? Voiman (N) määrää yleensä äänenpainetaso - arvo, joka liittyy aallon amplitudiin. Äänenvoimakkuuden yksikkö on desibeli (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Tässä pp on kynnyspaine, joka on ehdollisesti yhtä suuri kuin 2×10-5 Pa. Paine pp vastaa suunnilleen intensiteettiä Ip=10-12 W/m2 on hyvin heikko ääni, jonka ihmiskorva voi silti havaita ilmassa 1000 Hz:n taajuudella. Ääni on sitä voimakkaampi, mitä korkeampi akustinen painetaso.
äänenvoimakkuus
Subjektiiviset ajatukset äänen voimakkuudesta liittyvät äänenvoimakkuuden käsitteeseen, eli ne on sidottu korvan havaitsemaan taajuusalueeseen (katso taulukko).
Entä kun taajuus on tämän alueen ulkopuolella - ultraäänen alalla? Juuri tässä tilanteessa (ultraäänikokeiden aikana 1 megahertsin luokkaa olevilla taajuuksilla) on helpompi havaita epälineaarisia vaikutuksia laboratorio-olosuhteissa. Päättelemme, että on järkevää kutsua voimakkaita akustisia a altoja, joissa epälineaariset vaikutukset tulevat havaittaviksi.
Epälineaariset tehosteet
Tiedetään, että tavallinen (lineaarinen) a alto, jonka äänenvoimakkuus on alhainen, etenee väliaineessa muotoaan muuttamatta. Tässä tapauksessa sekä harvinaisuus- että pakkausalueet liikkuvat avaruudessa samalla nopeudella - tämä on äänen nopeus väliaineessa. Jos lähdemuodostaa aallon, niin sen profiili pysyy sinimuotoisena millä tahansa etäisyydellä siitä.
Voimakkaassa äänia altossa kuva on erilainen: kompressoituneet alueet (äänenpaine on positiivinen) liikkuvat äänen nopeuden ylittävällä nopeudella ja harvinainen alue - pienemmällä nopeudella kuin äänen nopeus tietty media. Tämän seurauksena profiili muuttuu paljon. Etupinnat muuttuvat erittäin jyrkkeiksi ja aallon takaosat pehmeämmiksi. Tällaiset voimakkaat muodonmuutokset ovat epälineaarisia vaikutuksia. Mitä voimakkaampi a alto, sitä suurempi sen amplitudi, sitä nopeammin profiili vääristyy.
Pitkän aikaa pidettiin mahdollisena siirtää suuria energiatiheyksiä pitkiä matkoja käyttämällä akustista sädettä. Innostava esimerkki oli laser, joka pystyi tuhoamaan rakenteita, lyömään reikiä, olemaan kaukana. Näyttää siltä, että valon korvaaminen äänellä on mahdollista. On kuitenkin vaikeuksia, jotka tekevät ultraääni-aseen luomisen mahdottomaksi.
On käynyt ilmi, että millä tahansa etäisyydellä on raja-arvo kohteen saavuttavan äänen voimakkuudelle. Mitä suurempi etäisyys, sitä pienempi intensiteetti. Ja tavallisella akustisten a altojen vaimenemisella, kun ne kulkevat väliaineen läpi, ei ole mitään tekemistä sen kanssa. Vaimennus lisääntyy huomattavasti taajuuden kasvaessa. Se voidaan kuitenkin valita niin, että tavallinen (lineaarinen) vaimennus vaadituilla etäisyyksillä voidaan jättää huomiotta. Signaalille, jonka taajuus on 1 MHz vedessä, tämä on 50 m, riittävän suuren amplitudin ultraäänellä se voi olla vain 10 cm.
Kuvitellaan, että a alto syntyy jossain paikassa avaruudessa, intensiteettijonka ääni on sellainen, että epälineaariset efektit vaikuttavat merkittävästi sen käyttäytymiseen. Värähtelyn amplitudi pienenee etäisyyden mukaan lähteestä. Tämä tapahtuu mitä nopeammin, sitä suurempi on alkuamplitudi p0. Erittäin korkeilla arvoilla aallon vaimenemisnopeus ei riipu alkusignaalin arvosta p0. Tämä prosessi jatkuu, kunnes a alto vaimenee ja epälineaariset vaikutukset pysähtyvät. Sen jälkeen se eroaa epälineaarisessa tilassa. Lisävaimennus tapahtuu lineaarisen akustiikan lakien mukaan, eli se on paljon heikompaa eikä riipu alkuhäiriön suuruudesta.
Kuinka sitten ultraääntä käytetään menestyksekkäästi monilla teollisuudenaloilla: porataan, puhdistetaan jne. Näillä manipulaatioilla etäisyys emitteriin on pieni, joten epälineaarinen vaimennus ei ole vielä ehtinyt vauhdittua.
Miksi shokkiaalloilla on niin voimakas vaikutus esteisiin? Tiedetään, että räjähdykset voivat tuhota melko kaukana sijaitsevia rakenteita. Mutta shokkia alto on epälineaarinen, joten vaimennusnopeuden on oltava suurempi kuin heikompien a altojen.
Toiminta on tämä: yksittäinen signaali ei toimi kuin jaksollinen signaali. Sen huippuarvo pienenee etäisyyden mukaan lähteestä. Lisäämällä aallon amplitudia (esimerkiksi räjähdyksen voimakkuutta) on mahdollista saavuttaa suuria paineita esteeseen tietyllä (vaikka pienellä) etäisyydellä ja siten tuhota se.
