В романа "Тайната на два океана" и в едноименния приключенски филм героите направиха невъобразими неща с ултразвукови оръжия: те унищожиха скала, убиха огромен кит и унищожиха кораба на своя врагове. Работата е публикувана през 30-те години на XX век и тогава се смяташе, че в близко бъдеще съществуването на мощно ултразвуково оръжие ще стане възможно - всичко е свързано с наличието на технология. Днес науката твърди, че ултразвуковите вълни като оръжия са фантастични.
Друго нещо е използването на ултразвук за мирни цели (ултразвуково почистване, пробиване на дупки, раздробяване на камъни в бъбреците и т.н.). След това ще разберем как се държат акустичните вълни с голяма амплитуда и интензитет на звука.
Функция за мощни звуци
Има концепция за нелинейни ефекти. Това са ефекти, които са достатъчно особенисилни вълни и в зависимост от тяхната амплитуда. Във физиката дори има специален раздел, който изучава мощни вълни - нелинейна акустика. Няколко примера за това, което тя изследва, са гръмотевици, подводни експлозии, сеизмични вълни от земетресения. Възникват два въпроса.
- Първо: каква е силата на звука?
- Второ: какво представляват нелинейните ефекти, какво е необичайното при тях, къде се използват?
Какво е акустична вълна
Звуковата вълна е участък от компресия-разредяване, който се разминава в средата. На всяко от неговите места налягането се променя. Това се дължи на промяна в степента на компресия. Промените, насложени върху първоначалното налягане, което е било в околната среда, се наричат звуково налягане.
Звуков енергиен поток
Вълната има енергия, която деформира средата (ако звукът се разпространява в атмосферата, тогава това е енергията на еластичната деформация на въздуха). Освен това вълната има кинетичната енергия на молекулите. Посоката на потока на енергия съвпада с тази, в която звукът се разминава. Енергийният поток, преминаващ през единица площ за единица време, характеризира интензитета. И това се отнася до областта, перпендикулярна на движението на вълната.
Интензитет
И интензитетът I, и акустичното налягане p зависят от свойствата на средата. Няма да се спираме на тези зависимости, ще дадем само формулата за интензитета на звука, свързана с p, I и характеристиките на средата - плътността (ρ) и скоростта на звука в средата (c):
I=p02/2ρc.
Тукp0 - амплитуда на акустично налягане.
Какво е силен и слаб шум? Силата (N) обикновено се определя от нивото на звуковото налягане - стойност, която е свързана с амплитудата на вълната. Единицата за интензитет на звука е децибел (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Тук pp е праговото налягане, условно взето равно на 2×10-5 Pa. Налягането pp приблизително съответства на интензитета Ip=10-12 W/m2 е много слаб звук, който все още може да бъде възприет от човешкото ухо във въздуха с честота от 1000 Hz. Звукът е по-силен, колкото по-високо е нивото на акустичното налягане.
Обем
Субективните представи за силата на звука са свързани с концепцията за силата на звука, тоест те са обвързани с честотния диапазон, възприеман от ухото (виж таблицата).
А какво ще кажете, когато честотата е извън този диапазон - в областта на ултразвука? Именно в тази ситуация (по време на експерименти с ултразвук с честоти от порядъка на 1 мегахерц) е по-лесно да се наблюдават нелинейни ефекти в лабораторни условия. Заключаваме, че има смисъл да се наричат мощни акустични вълни, за които нелинейните ефекти стават забележими.
Нелинейни ефекти
Известно е, че обикновена (линейна) вълна, чийто интензитет на звука е нисък, се разпространява в среда, без да променя формата си. В този случай областите на разреждане и компресия се движат в пространството с една и съща скорост - това е скоростта на звука в средата. Ако източникътгенерира вълна, след което профилът й остава под формата на синусоида на произволно разстояние от нея.
При интензивна звукова вълна картината е различна: областите на компресия (звуковото налягане е положително) се движат със скорост, надвишаваща скоростта на звука, а областите на разреждане - със скорост, по-малка от скоростта на звука в дадена среда. В резултат на това профилът се променя много. Предните повърхности стават много стръмни, а задните на вълната стават по-нежни. Такива силни промени във формата са нелинейният ефект. Колкото по-силна е вълната, толкова по-голяма е нейната амплитуда, толкова по-бързо се изкривява профилът.
Дълго време се смяташе за възможно да се предават високи енергийни плътности на дълги разстояния с помощта на акустичен лъч. Вдъхновяващ пример беше лазер, способен да разрушава структури, да пробива дупки, да бъде на голямо разстояние. Изглежда, че замяната на светлината със звук е възможна. Въпреки това, има трудности, които правят невъзможно създаването на ултразвуково оръжие.
Оказва се, че за всяко разстояние има гранична стойност за интензитета на звука, който ще достигне целта. Колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-нисък е интензитетът. И обичайното затихване на акустичните вълни при преминаване през средата няма нищо общо с това. Затихването се увеличава значително с увеличаване на честотата. Въпреки това, той може да бъде избран така, че обичайното (линейно) затихване на необходимите разстояния да бъде пренебрегнато. За сигнал с честота 1 MHz във вода това е 50 m, за ултразвук с достатъчно голяма амплитуда може да бъде само 10 cm.
Нека си представим, че на някое място в пространството се генерира вълна, интензитетътзвукът на който е такъв, че нелинейните ефекти значително ще повлияят на неговото поведение. Амплитудата на трептене ще намалява с разстоянието от източника. Това ще се случи колкото по-рано, толкова по-голяма е първоначалната амплитуда p0. При много високи стойности скоростта на затихване на вълната не зависи от стойността на първоначалния сигнал p0. Този процес продължава, докато вълната се разпадне и нелинейните ефекти спрат. След това той ще се отклони в нелинеен режим. По-нататъшното затихване настъпва според законите на линейната акустика, т.е. то е много по-слабо и не зависи от големината на първоначалното смущение.
Как тогава ултразвукът се използва успешно в много индустрии: те се пробиват, почистват и т.н. С тези манипулации разстоянието от излъчвателя е малко, така че нелинейното затихване все още не е имало време да набере инерция.
Защо ударните вълни имат толкова силен ефект върху препятствията? Известно е, че експлозиите могат да унищожат структури, разположени доста далеч. Но ударната вълна е нелинейна, така че скоростта на затихване трябва да е по-висока от тази на по-слабите вълни.
Изводът е следният: единичен сигнал не действа като периодичен. Пиковата му стойност намалява с разстоянието от източника. Чрез увеличаване на амплитудата на вълната (например силата на експлозията) е възможно да се постигне голям натиск върху препятствието на дадено (дори и малко) разстояние и по този начин да се унищожи.
