I romanen "The Secret of Two Oceans" och i äventyrsfilmen med samma namn gjorde hjältarna ofattbara saker med ultraljudsvapen: de förstörde en sten, dödade en enorm val och förstörde deras skepp. fiender. Verket publicerades tillbaka på 30-talet av XX-talet, och då trodde man att det inom en snar framtid skulle bli möjligt att existera ett kraftfullt ultraljudsvapen - det handlar om tillgängligheten av teknik. Idag hävdar vetenskapen att ultraljudsvågor som vapen är fantastiska.
En annan sak är användningen av ultraljud för fredliga ändamål (ultraljudsrengöring, borrning av hål, krossning av njursten, etc.). Därefter kommer vi att förstå hur akustiska vågor med stor amplitud och ljudintensitet beter sig.
Kraftfulla ljudfunktion
Det finns ett koncept med icke-linjära effekter. Dessa är effekter som bara är märkliga nogstarka vågor och beroende på deras amplitud. Inom fysiken finns det till och med ett speciellt avsnitt som studerar kraftfulla vågor - olinjär akustik. Några exempel på vad hon undersöker är åska, undervattensexplosioner, seismiska vågor från jordbävningar. Två frågor uppstår.
- För det första: vad är kraften i ljud?
- Andra: vad är icke-linjära effekter, vad är ovanligt med dem, var används de?
Vad är en akustisk våg
En ljudvåg är en del av kompressionssällsynthet som divergerar i mediet. På någon av dess ställen ändras trycket. Detta beror på en förändring i kompressionsförhållandet. Förändringar som överlagras på det initiala trycket som fanns i omgivningen kallas ljudtryck.
Sonic energiflöde
En våg har energi som deformerar mediet (om ljud fortplantar sig i atmosfären är detta energin för elastisk deformation av luft). Dessutom har vågen molekylernas kinetiska energi. Riktningen för energiflödet sammanfaller med den där ljudet divergerar. Energiflödet som passerar genom en enhetsarea per tidsenhet kännetecknar intensiteten. Och detta hänvisar till området vinkelrätt mot vågens rörelse.
Intensitet
Både intensitet I och akustiskt tryck p beror på mediets egenskaper. Vi kommer inte att uppehålla oss vid dessa beroenden, vi kommer bara att ge ljudintensitetsformeln som relaterar till p, I och mediets egenskaper - densiteten (ρ) och ljudets hastighet i mediet (c):
I=p02/2ρc.
Härp0 - akustisk tryckamplitud.
Vad är starkt och svagt ljud? Kraften (N) bestäms vanligtvis av ljudtrycksnivån - ett värde som är associerat med vågens amplitud. Enheten för ljudintensitet är decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Här pp är tröskeltrycket villkorligt taget lika med 2×10-5 Pa. Trycket pp motsvarar ungefär intensiteten Ip=10-12 W/m2 är ett mycket svagt ljud som fortfarande kan uppfattas av det mänskliga örat i luft med en frekvens på 1000 Hz. Ljudet är starkare ju högre akustisk trycknivå är.
Volym
Subjektiva idéer om ljudets styrka är förknippade med begreppet loudness, det vill säga de är knutna till det frekvensområde som uppfattas av örat (se tabell).
Och hur är det när frekvensen ligger utanför detta intervall - inom ultraljudsområdet? Det är i denna situation (under experiment med ultraljud vid frekvenser i storleksordningen 1 megahertz) som det är lättare att observera olinjära effekter under laboratorieförhållanden. Vi drar slutsatsen att det är vettigt att kalla kraftfulla akustiska vågor för vilka olinjära effekter blir märkbara.
icke-linjära effekter
Det är känt att en vanlig (linjär) våg, vars ljudintensitet är låg, fortplantar sig i ett medium utan att ändra dess form. I det här fallet rör sig både sällsynthet och kompressionsregioner i rymden med samma hastighet - det här är ljudets hastighet i mediet. Om källangenererar en våg, sedan förblir dess profil i form av en sinus på vilket avstånd som helst från den.
I en intensiv ljudvåg är bilden annorlunda: områden med kompression (ljudtrycket är positivt) rör sig med en hastighet som överstiger ljudets hastighet, och områden med sällsynthet - med en hastighet som är lägre än ljudets hastighet i ett givet medium. Som ett resultat förändras profilen mycket. De främre ytorna blir mycket branta, och vågens ryggar blir mjukare. Sådana starka formförändringar är den icke-linjära effekten. Ju starkare vågen är, desto större dess amplitud, desto snabbare förvrängs profilen.
Länge ansågs det möjligt att överföra höga energitätheter över långa avstånd med hjälp av en akustisk stråle. Ett inspirerande exempel var en laser som kan förstöra strukturer, slå hål, vara på långt avstånd. Det verkar som att det är möjligt att ersätta ljus med ljud. Det finns dock svårigheter som gör det omöjligt att skapa ett ultraljudsvapen.
Det visar sig att det för vilken sträcka som helst finns ett gränsvärde för intensiteten på ljudet som kommer att nå målet. Ju större avstånd, desto lägre intensitet. Och den vanliga dämpningen av akustiska vågor när de passerar genom mediet har ingenting att göra med det. Dämpningen ökar markant med ökande frekvens. Den kan dock väljas så att den vanliga (linjära) dämpningen på erforderliga avstånd kan försummas. För en signal med en frekvens på 1 MHz i vatten är detta 50 m, för ultraljud med en tillräckligt stor amplitud kan den bara vara 10 cm.
Låt oss föreställa oss att en våg genereras på någon plats i rymden, intensitetenvars ljud är sådant att icke-linjära effekter kommer att avsevärt påverka dess beteende. Oscillationsamplituden kommer att minska med avståndet från källan. Detta kommer att hända ju tidigare, desto större initial amplitud p0. Vid mycket höga värden beror inte vågens avklingningshastighet på värdet på den initiala signalen p0. Denna process fortsätter tills vågen avtar och de olinjära effekterna upphör. Efter det kommer den att divergera i ett icke-linjärt läge. Ytterligare dämpning sker enligt lagarna för linjär akustik, dvs. den är mycket svagare och beror inte på storleken på den initiala störningen.
Hur används då ultraljud framgångsrikt i många industrier: de borras, rengörs etc. Med dessa manipulationer är avståndet från sändaren litet, så den olinjära dämpningen har ännu inte hunnit ta fart.
Varför har chockvågor en så stark effekt på hinder? Det är känt att explosioner kan förstöra strukturer som ligger ganska långt bort. Men stötvågen är icke-linjär, så avklingningshastigheten måste vara högre än för svagare vågor.
Summan av kardemumman är denna: en enda signal fungerar inte som en periodisk. Dess toppvärde minskar med avståndet från källan. Genom att öka vågens amplitud (till exempel styrkan på explosionen) är det möjligt att uppnå stora tryck på hindret på ett givet (även om litet) avstånd och därmed förstöra det.
