In de roman "The Secret of Two Oceans" en in de gelijknamige avonturenfilm deden de helden onvoorstelbare dingen met ultrasone wapens: ze vernietigden een rots, doodden een enorme walvis en vernietigden het schip van hun vijanden. Het werk werd gepubliceerd in de jaren '30 van de twintigste eeuw, en toen geloofde men dat in de nabije toekomst het bestaan van een krachtig ultrasoon wapen mogelijk zou worden - het draait allemaal om de beschikbaarheid van technologie. Tegenwoordig beweert de wetenschap dat ultrasone golven als wapens fantastisch zijn.
Een ander ding is het gebruik van ultrageluid voor vreedzame doeleinden (ultrasoon reinigen, gaten boren, nierstenen pletten, enz.). Vervolgens zullen we begrijpen hoe akoestische golven met grote amplitude en geluidsintensiteit zich gedragen.
Krachtige geluiden functie
Er is een concept van niet-lineaire effecten. Dit zijn alleen maar eigenaardige effectensterke golven en afhankelijk van hun amplitude. In de natuurkunde is er zelfs een speciale sectie die krachtige golven bestudeert - niet-lineaire akoestiek. Een paar voorbeelden van wat ze onderzoekt zijn donder, onderwaterexplosies, seismische golven van aardbevingen. Er rijzen twee vragen.
- Ten eerste: wat is de kracht van geluid?
- Ten tweede: wat zijn niet-lineaire effecten, wat is er ongebruikelijk aan, waar worden ze gebruikt?
Wat is een akoestische golf
Een geluidsgolf is een deel van compressie-rarefactie dat divergeert in het medium. Op elk van zijn plaatsen verandert de druk. Dit komt door een verandering in de compressieverhouding. Veranderingen bovenop de aanvankelijke druk die in de omgeving was, worden geluidsdruk genoemd.
Sonische energiestroom
Een golf heeft energie die het medium vervormt (als geluid zich voortplant in de atmosfeer, dan is dit de energie van elastische vervorming van lucht). Bovendien heeft de golf de kinetische energie van de moleculen. De richting van de energiestroom v alt samen met die waarin het geluid divergeert. De stroom van energie die per tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid gaat, kenmerkt de intensiteit. En dit verwijst naar het gebied loodrecht op de beweging van de golf.
Intensiteit
Zowel intensiteit I als akoestische druk p zijn afhankelijk van de eigenschappen van het medium. We zullen niet stilstaan bij deze afhankelijkheden, we geven alleen de geluidsintensiteitsformule met betrekking tot p, I en de kenmerken van het medium - de dichtheid (ρ) en de geluidssnelheid in het medium (c):
I=p02/2ρc.
Hierp0 - akoestische drukamplitude.
Wat is sterk en zwak geluid? De kracht (N) wordt meestal bepaald door het niveau van de geluidsdruk - een waarde die wordt geassocieerd met de amplitude van de golf. De eenheid van geluidsintensiteit is decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Hier is pp de drempeldruk voorwaardelijk gelijk aan 2×10-5 Pa. Druk pp komt ongeveer overeen met intensiteit Ip=10-12 W/m2 is een heel zwak geluid dat nog steeds door het menselijk oor in de lucht kan worden waargenomen met een frequentie van 1000 Hz. Het geluid is sterker naarmate het akoestische drukniveau hoger is.
Volume
Subjectieve ideeën over de sterkte van geluid worden geassocieerd met het concept van luidheid, dat wil zeggen, ze zijn gekoppeld aan het frequentiebereik dat door het oor wordt waargenomen (zie tabel).
En hoe zit het als de frequentie buiten dit bereik ligt - op het gebied van echografie? Het is in deze situatie (tijdens experimenten met ultrageluid met frequenties in de orde van 1 megahertz) dat het gemakkelijker is om niet-lineaire effecten waar te nemen onder laboratoriumomstandigheden. We concluderen dat het zinvol is om krachtige akoestische golven te noemen waarvoor niet-lineaire effecten merkbaar worden.
Niet-lineaire effecten
Het is bekend dat een gewone (lineaire) golf, waarvan de geluidsintensiteit laag is, zich in een medium voortplant zonder van vorm te veranderen. In dit geval bewegen zowel verdunnings- als compressiegebieden met dezelfde snelheid in de ruimte - dit is de geluidssnelheid in het medium. Als de brongenereert een golf, dan blijft het profiel op elke afstand in de vorm van een sinusoïde.
Bij een intense geluidsgolf is het beeld anders: compressiegebieden (geluidsdruk is positief) bewegen met een snelheid die de geluidssnelheid overschrijdt, en gebieden met verdunning - met een snelheid die lager is dan de geluidssnelheid in een bepaald medium. Als gevolg hiervan verandert het profiel veel. De voorvlakken worden erg steil en de achterkant van de golf wordt zachter. Zulke sterke vormveranderingen zijn het niet-lineaire effect. Hoe sterker de golf, hoe groter de amplitude, hoe sneller het profiel wordt vervormd.
Lange tijd werd het mogelijk geacht om met een akoestische straal hoge energiedichtheden over lange afstanden uit te zenden. Een inspirerend voorbeeld was een laser die in staat is om op grote afstand constructies te vernietigen, gaten te slaan. Het lijkt erop dat de vervanging van licht door geluid mogelijk is. Er zijn echter moeilijkheden die het onmogelijk maken om een ultrasoon wapen te maken.
Het blijkt dat er voor elke afstand een grenswaarde is voor de intensiteit van het geluid dat het doel zal bereiken. Hoe groter de afstand, hoe lager de intensiteit. En de gebruikelijke demping van akoestische golven bij het passeren van het medium heeft er niets mee te maken. De demping neemt aanzienlijk toe met toenemende frequentie. Het kan echter zo worden gekozen dat de gebruikelijke (lineaire) demping op de vereiste afstanden kan worden verwaarloosd. Voor een signaal met een frequentie van 1 MHz in water is dit 50 m, voor ultrageluid met een voldoende grote amplitude kan dit slechts 10 cm zijn.
Stel je voor dat er ergens in de ruimte een golf wordt gegenereerd, de intensiteitwaarvan het geluid zodanig is dat niet-lineaire effecten het gedrag aanzienlijk zullen beïnvloeden. De trillingsamplitude neemt af met de afstand tot de bron. Dit zal gebeuren, hoe eerder, hoe groter de initiële amplitude p0. Bij zeer hoge waarden is de vervalsnelheid van de golf niet afhankelijk van de waarde van het initiële signaal p0. Dit proces gaat door totdat de golf wegsterft en de niet-lineaire effecten stoppen. Daarna zal het divergeren in een niet-lineaire modus. Verdere demping vindt plaats volgens de wetten van lineaire akoestiek, d.w.z. het is veel zwakker en hangt niet af van de grootte van de initiële storing.
Hoe wordt echografie dan met succes gebruikt in veel industrieën: ze worden geboord, schoongemaakt, enz. Met deze manipulaties is de afstand tot de zender klein, dus de niet-lineaire demping heeft nog geen tijd gehad om aan kracht te winnen.
Waarom hebben schokgolven zo'n sterk effect op obstakels? Het is bekend dat explosies vrij ver weg gelegen constructies kunnen vernietigen. Maar de schokgolf is niet-lineair, dus de vervalsnelheid moet hoger zijn dan die van zwakkere golven.
Waar het op neerkomt is dit: een enkel signaal werkt niet als een periodiek signaal. De piekwaarde neemt af met de afstand tot de bron. Door de amplitude van de golf te vergroten (bijvoorbeeld de sterkte van de explosie), is het mogelijk om op een bepaalde (zelfs kleine) afstand grote druk op het obstakel uit te oefenen en het daardoor te vernietigen.
