W powieści „Tajemnica dwóch oceanów” oraz w filmie przygodowym o tym samym tytule bohaterowie dokonali niewyobrażalnych rzeczy za pomocą broni ultradźwiękowej: zniszczyli skałę, zabili ogromnego wieloryba i zniszczyli statek ich wrogowie. Praca została opublikowana w latach 30. XX wieku, a następnie wierzono, że w niedalekiej przyszłości stanie się możliwe istnienie potężnej broni ultradźwiękowej - wszystko zależy od dostępności technologii. Dzisiaj nauka twierdzi, że fale ultradźwiękowe jako broń są fantastyczne.
Kolejną rzeczą jest użycie ultradźwięków do celów pokojowych (czyszczenie ultradźwiękowe, wiercenie otworów, kruszenie kamieni nerkowych itp.). Następnie zrozumiemy, jak zachowują się fale akustyczne o dużej amplitudzie i natężeniu dźwięku.
Potężne dźwięki
Istnieje koncepcja efektów nieliniowych. To są tylko efekty osobliwesilne fale i w zależności od ich amplitudy. W fizyce istnieje nawet specjalna sekcja, która bada potężne fale - akustykę nieliniową. Kilka przykładów tego, co bada, to grzmoty, podwodne eksplozje, fale sejsmiczne wywołane trzęsieniami ziemi. Pojawiają się dwa pytania.
- Po pierwsze: jaka jest moc dźwięku?
- Po drugie: czym są efekty nieliniowe, co jest w nich niezwykłego, gdzie są używane?
Co to jest fala akustyczna
Fala dźwiękowa to fragment kompresji-rozrzedzenia, który jest rozbieżny w ośrodku. W każdym z jego miejsc ciśnienie się zmienia. Wynika to ze zmiany współczynnika kompresji. Zmiany nałożone na początkowe ciśnienie panujące w otoczeniu nazywane są ciśnieniem akustycznym.
Przepływ energii dźwiękowej
Fala ma energię deformującą ośrodek (jeśli dźwięk rozchodzi się w atmosferze, to jest to energia sprężystego odkształcenia powietrza). Ponadto fala ma energię kinetyczną cząsteczek. Kierunek przepływu energii pokrywa się z kierunkiem, w którym dźwięk się rozchodzi. Przepływ energii przechodzącej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu charakteryzuje intensywność. A to odnosi się do obszaru prostopadłego do ruchu fali.
Intensywność
Zarówno natężenie I, jak i ciśnienie akustyczne p zależą od właściwości medium. Nie będziemy się rozwodzić nad tymi zależnościami, podamy jedynie wzór natężenia dźwięku dotyczący p, I oraz charakterystykę ośrodka - gęstość (ρ) i prędkość dźwięku w ośrodku (c):
I=p02/2ρc.
Tutajp0 - amplituda ciśnienia akustycznego.
Co to jest silny i słaby hałas? Siła (N) jest zwykle określana przez poziom ciśnienia akustycznego – wartość związaną z amplitudą fali. Jednostką natężenia dźwięku jest decybel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Tutaj pp to ciśnienie progowe przyjęte warunkowo równe 2×10-5 Pa. Ciśnienie pp w przybliżeniu odpowiada intensywności Ip=10-12 W/m2 to bardzo słaby dźwięk, który nadal może być odbierany przez ludzkie ucho w powietrzu o częstotliwości 1000 Hz. Dźwięk jest tym silniejszy, im wyższy poziom ciśnienia akustycznego.
Głośność
Subiektywne poglądy na temat siły dźwięku są związane z pojęciem głośności, to znaczy są powiązane z zakresem częstotliwości odbieranym przez ucho (patrz tabela).
A co z częstotliwością poza tym zakresem – w zakresie ultradźwięków? Właśnie w takiej sytuacji (podczas eksperymentów z ultradźwiękami przy częstotliwościach rzędu 1 megaherca) łatwiej zaobserwować efekty nieliniowe w warunkach laboratoryjnych. Dochodzimy do wniosku, że sensowne jest nazywanie potężnych fal akustycznych, dla których zauważalne stają się efekty nieliniowe.
Efekty nieliniowe
Wiadomo, że zwykła (liniowa) fala, której natężenie dźwięku jest niewielkie, rozchodzi się w ośrodku bez zmiany jego kształtu. W tym przypadku zarówno obszary rozrzedzenia, jak i kompresji poruszają się w przestrzeni z tą samą prędkością – jest to prędkość dźwięku w medium. Jeśli źródłogeneruje falę, wówczas jej profil pozostaje w postaci sinusoidy w dowolnej odległości od niej.
W intensywnej fali dźwiękowej obraz jest inny: obszary kompresji (ciśnienie dźwięku jest dodatnie) poruszają się z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku, a obszary rozrzedzenia - z prędkością mniejszą niż prędkość dźwięku w dane medium. W rezultacie profil bardzo się zmienia. Przednie powierzchnie stają się bardzo strome, a grzbiety fali stają się łagodniejsze. Tak silne zmiany kształtu są efektem nieliniowym. Im silniejsza fala, tym większa jej amplituda, tym szybciej profil jest zniekształcony.
Przez długi czas uważano, że możliwe jest przesyłanie energii o dużej gęstości na duże odległości za pomocą wiązki akustycznej. Inspirującym przykładem był laser zdolny do niszczenia konstrukcji, wybijania dziur, przebywania na dużą odległość. Wydaje się, że zastąpienie światła dźwiękiem jest możliwe. Istnieją jednak trudności, które uniemożliwiają stworzenie broni ultradźwiękowej.
Okazuje się, że dla dowolnej odległości istnieje graniczna wartość natężenia dźwięku, który dotrze do celu. Im większa odległość, tym mniejsza intensywność. A zwykłe tłumienie fal akustycznych podczas przechodzenia przez ośrodek nie ma z tym nic wspólnego. Tłumienie wzrasta wyraźnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Można go jednak wybrać tak, aby można było pominąć zwykłe (liniowe) tłumienie na wymaganych odległościach. Dla sygnału o częstotliwości 1 MHz w wodzie jest to 50 m, dla ultradźwięków o odpowiednio dużej amplitudzie może to być tylko 10 cm.
Wyobraźmy sobie, że w jakimś miejscu w przestrzeni powstaje fala o natężeniuktórego dźwięk jest taki, że efekty nieliniowe znacząco wpłyną na jego zachowanie. Amplituda oscylacji będzie malała wraz z odległością od źródła. Stanie się to tym szybciej, im większa będzie amplituda początkowa p0. Przy bardzo wysokich wartościach szybkość zaniku fali nie zależy od wartości sygnału początkowego p0. Proces ten trwa do momentu zaniku fali i ustania efektów nieliniowych. Następnie rozejdzie się w trybie nieliniowym. Dalsze tłumienie zachodzi zgodnie z prawami akustyki liniowej, tj. jest znacznie słabsze i nie zależy od wielkości początkowego zakłócenia.
Jak więc ultradźwięki są z powodzeniem stosowane w wielu gałęziach przemysłu: są wiercone, czyszczone itp. Przy tych manipulacjach odległość od emitera jest niewielka, więc tłumienie nieliniowe nie zdążyło jeszcze nabrać rozpędu.
Dlaczego fale uderzeniowe mają tak silny wpływ na przeszkody? Wiadomo, że eksplozje mogą niszczyć konstrukcje znajdujące się dość daleko. Ale fala uderzeniowa jest nieliniowa, więc szybkość zaniku musi być wyższa niż w przypadku fal słabszych.
Najważniejsze jest to, że pojedynczy sygnał nie działa jak sygnał okresowy. Jego wartość szczytowa maleje wraz z odległością od źródła. Zwiększając amplitudę fali (na przykład siłę wybuchu) możliwe jest osiągnięcie dużych nacisków na przeszkodę w danej (nawet małej) odległości i tym samym jej zniszczenie.
