Στο μυθιστόρημα "Το μυστικό των δύο ωκεανών" και στην ομώνυμη ταινία περιπέτειας, οι ήρωες έκαναν ασύλληπτα πράγματα με υπερηχητικά όπλα: κατέστρεψαν έναν βράχο, σκότωσαν μια τεράστια φάλαινα και κατέστρεψαν το πλοίο τους. εχθρούς. Το έργο δημοσιεύτηκε στη δεκαετία του '30 του ΧΧ αιώνα και τότε πιστεύεται ότι στο εγγύς μέλλον θα καταστεί δυνατή η ύπαρξη ενός ισχυρού όπλου υπερήχων - όλα έχουν να κάνουν με τη διαθεσιμότητα της τεχνολογίας. Σήμερα, η επιστήμη ισχυρίζεται ότι τα υπερηχητικά κύματα ως όπλα είναι φανταστικά.
Ένα άλλο πράγμα είναι η χρήση υπερήχων για ειρηνικούς σκοπούς (υπερηχητικός καθαρισμός, διάνοιξη οπών, σύνθλιψη πέτρες στα νεφρά κ.λπ.). Στη συνέχεια, θα καταλάβουμε πώς συμπεριφέρονται τα ακουστικά κύματα με μεγάλο πλάτος και ένταση ήχου.
Δυνατότητα ισχυρών ήχων
Υπάρχει μια έννοια μη γραμμικών επιδράσεων. Αυτά είναι φαινόμενα αρκετά περίεργαδυνατά κύματα και ανάλογα με το πλάτος τους. Στη φυσική, υπάρχει ακόμη και ένα ειδικό τμήμα που μελετά τα ισχυρά κύματα - τη μη γραμμική ακουστική. Μερικά παραδείγματα αυτών που ερευνά είναι οι βροντές, οι υποβρύχιες εκρήξεις, τα σεισμικά κύματα από τους σεισμούς. Προκύπτουν δύο ερωτήματα.
- Πρώτον: ποια είναι η δύναμη του ήχου;
- Δεύτερο: τι είναι τα μη γραμμικά εφέ, τι είναι ασυνήθιστο σε αυτά, πού χρησιμοποιούνται;
Τι είναι ένα ακουστικό κύμα
Ένα ηχητικό κύμα είναι ένα τμήμα συμπίεσης-αραίωσης που αποκλίνει στο μέσο. Σε οποιαδήποτε θέση του, η πίεση αλλάζει. Αυτό οφείλεται σε μια αλλαγή στην αναλογία συμπίεσης. Οι αλλαγές που επιβάλλονται στην αρχική πίεση που υπήρχε στο περιβάλλον ονομάζονται πίεση ήχου.
Ηχητική ροή ενέργειας
Ένα κύμα έχει ενέργεια που παραμορφώνει το μέσο (αν ο ήχος διαδίδεται στην ατμόσφαιρα, τότε αυτή είναι η ενέργεια της ελαστικής παραμόρφωσης του αέρα). Επιπλέον, το κύμα έχει την κινητική ενέργεια των μορίων. Η κατεύθυνση της ροής της ενέργειας συμπίπτει με εκείνη στην οποία ο ήχος αποκλίνει. Η ροή ενέργειας που διέρχεται από μια μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου χαρακτηρίζει την ένταση. Και αυτό αναφέρεται στην περιοχή που είναι κάθετη στην κίνηση του κύματος.
Ένταση
Τόσο η ένταση I όσο και η ακουστική πίεση p εξαρτώνται από τις ιδιότητες του μέσου. Δεν θα σταθούμε σε αυτές τις εξαρτήσεις, θα δώσουμε μόνο τον τύπο της έντασης του ήχου που σχετίζεται με τα p, I και τα χαρακτηριστικά του μέσου - την πυκνότητα (ρ) και την ταχύτητα του ήχου στο μέσο (c):
I=p02/2ρc.
Εδώp0 - πλάτος ακουστικής πίεσης.
Τι είναι δυνατός και αδύναμος θόρυβος; Η δύναμη (Ν) καθορίζεται συνήθως από το επίπεδο της ηχητικής πίεσης - μια τιμή που σχετίζεται με το πλάτος του κύματος. Η μονάδα της έντασης του ήχου είναι τα ντεσιμπέλ (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Εδώ pp είναι η οριακή πίεση που λαμβάνεται υπό όρους ίση με 2×10-5 Pa. Η πίεση pp αντιστοιχεί περίπου στην ένταση Ip=10-12 W/m2 είναι ένας πολύ αμυδρός ήχος που μπορεί ακόμα να γίνει αντιληπτός από το ανθρώπινο αυτί στον αέρα σε συχνότητα 1000 Hz. Ο ήχος είναι πιο δυνατός όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο ακουστικής πίεσης.
Τόμος
Οι υποκειμενικές ιδέες για την ισχύ του ήχου συνδέονται με την έννοια της έντασης, δηλαδή συνδέονται με το εύρος συχνοτήτων που αντιλαμβάνεται το αυτί (βλ. πίνακα).
Και τι γίνεται όταν η συχνότητα βρίσκεται εκτός αυτού του εύρους - στον τομέα των υπερήχων; Σε αυτήν την κατάσταση (κατά τη διάρκεια πειραμάτων με υπερήχους σε συχνότητες της τάξης του 1 megahertz) είναι ευκολότερο να παρατηρηθούν μη γραμμικά φαινόμενα σε εργαστηριακές συνθήκες. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι είναι λογικό να ονομάζουμε ισχυρά ακουστικά κύματα για τα οποία γίνονται αισθητά μη γραμμικά φαινόμενα.
Μη γραμμικά εφέ
Είναι γνωστό ότι ένα συνηθισμένο (γραμμικό) κύμα, του οποίου η ένταση του ήχου είναι χαμηλή, διαδίδεται σε ένα μέσο χωρίς να αλλάζει το σχήμα του. Σε αυτήν την περίπτωση, τόσο οι περιοχές αραίωσης όσο και συμπίεσης κινούνται στο διάστημα με την ίδια ταχύτητα - αυτή είναι η ταχύτητα του ήχου στο μέσο. Αν η πηγήδημιουργεί ένα κύμα και το προφίλ του παραμένει σε μορφή ημιτονοειδούς σε οποιαδήποτε απόσταση από αυτό.
Σε ένα έντονο ηχητικό κύμα, η εικόνα είναι διαφορετική: οι περιοχές συμπίεσης (η ηχητική πίεση είναι θετική) κινούνται με ταχύτητα που υπερβαίνει την ταχύτητα του ήχου και οι περιοχές αραίωσης - με ταχύτητα μικρότερη από την ταχύτητα του ήχου σε ένα δεδομένο μέσο. Ως αποτέλεσμα, το προφίλ αλλάζει πολύ. Οι μπροστινές επιφάνειες γίνονται πολύ απότομες και οι πλάτες του κύματος γίνονται πιο απαλές. Τέτοιες έντονες αλλαγές σχήματος είναι το μη γραμμικό φαινόμενο. Όσο ισχυρότερο είναι το κύμα, τόσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος του, τόσο πιο γρήγορα παραμορφώνεται το προφίλ.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα θεωρούνταν δυνατή η μετάδοση υψηλών ενεργειακών πυκνοτήτων σε μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιώντας ακουστική δέσμη. Ένα εμπνευσμένο παράδειγμα ήταν ένα λέιζερ ικανό να καταστρέφει κατασκευές, να ανοίγει τρύπες, να βρίσκεται σε μεγάλη απόσταση. Φαίνεται ότι η αντικατάσταση του φωτός με τον ήχο είναι δυνατή. Ωστόσο, υπάρχουν δυσκολίες που καθιστούν αδύνατη τη δημιουργία ενός όπλου υπερήχων.
Αποδεικνύεται ότι για οποιαδήποτε απόσταση υπάρχει μια οριακή τιμή για την ένταση του ήχου που θα φτάσει στον στόχο. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση, τόσο μικρότερη είναι η ένταση. Και η συνήθης εξασθένηση των ακουστικών κυμάτων κατά τη διέλευση από το μέσο δεν έχει καμία σχέση με αυτό. Η εξασθένηση αυξάνεται σημαντικά με την αύξηση της συχνότητας. Ωστόσο, μπορεί να επιλεγεί έτσι ώστε να μπορεί να αγνοηθεί η συνήθης (γραμμική) εξασθένηση στις απαιτούμενες αποστάσεις. Για ένα σήμα με συχνότητα 1 MHz στο νερό, αυτό είναι 50 m, για υπερήχους επαρκώς μεγάλου πλάτους, μπορεί να είναι μόνο 10 cm.
Ας φανταστούμε ότι ένα κύμα δημιουργείται σε κάποιο σημείο στο διάστημα, η έντασηο ήχος του οποίου είναι τέτοιος που τα μη γραμμικά φαινόμενα θα επηρεάσουν σημαντικά τη συμπεριφορά του. Το πλάτος της ταλάντωσης θα μειώνεται με την απόσταση από την πηγή. Αυτό θα συμβεί όσο πιο γρήγορα, τόσο μεγαλύτερο είναι το αρχικό πλάτος p0. Σε πολύ υψηλές τιμές, ο ρυθμός διάσπασης του κύματος δεν εξαρτάται από την τιμή του αρχικού σήματος p0. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται έως ότου το κύμα διασπαστεί και σταματήσουν τα μη γραμμικά φαινόμενα. Μετά από αυτό, θα αποκλίνει σε μια μη γραμμική λειτουργία. Περαιτέρω εξασθένηση συμβαίνει σύμφωνα με τους νόμους της γραμμικής ακουστικής, δηλαδή, είναι πολύ πιο αδύναμη και δεν εξαρτάται από το μέγεθος της αρχικής διαταραχής.
Πώς χρησιμοποιείται τότε επιτυχώς ο υπέρηχος σε πολλές βιομηχανίες: τρυπούνται, καθαρίζονται κ.λπ. Με αυτούς τους χειρισμούς, η απόσταση από τον πομπό είναι μικρή, επομένως η μη γραμμική εξασθένηση δεν έχει ακόμη προλάβει να αποκτήσει ορμή.
Γιατί τα κρουστικά κύματα έχουν τόσο ισχυρή επίδραση στα εμπόδια; Είναι γνωστό ότι οι εκρήξεις μπορούν να καταστρέψουν κατασκευές που βρίσκονται αρκετά μακριά. Αλλά το κρουστικό κύμα είναι μη γραμμικό, επομένως ο ρυθμός διάσπασης πρέπει να είναι υψηλότερος από αυτόν των πιο αδύναμων κυμάτων.
Η ουσία είναι η εξής: ένα μόνο σήμα δεν λειτουργεί όπως ένα περιοδικό. Η μέγιστη τιμή του μειώνεται με την απόσταση από την πηγή. Αυξάνοντας το πλάτος του κύματος (για παράδειγμα, τη δύναμη της έκρηξης), είναι δυνατό να επιτευχθούν μεγάλες πιέσεις στο εμπόδιο σε μια δεδομένη (έστω και μικρή) απόσταση και έτσι να το καταστρέψουμε.
