Dalam novel "The Secret of Two Oceans" dan dalam filem pengembaraan dengan nama yang sama, para wira melakukan perkara yang tidak dapat dibayangkan dengan senjata ultrasonik: mereka memusnahkan batu, membunuh ikan paus besar, dan memusnahkan kapal mereka. musuh. Kerja itu diterbitkan pada 30-an abad XX, dan kemudian dipercayai bahawa dalam masa terdekat kewujudan senjata ultrasonik yang kuat akan menjadi mungkin - ini semua tentang ketersediaan teknologi. Hari ini, sains mendakwa bahawa gelombang ultrasonik sebagai senjata adalah hebat.
Perkara lain ialah penggunaan ultrasound untuk tujuan damai (pembersihan ultrasonik, menggerudi lubang, menghancurkan batu karang, dll.). Seterusnya, kita akan memahami cara gelombang akustik dengan amplitud yang besar dan keamatan bunyi berfungsi.
Ciri bunyi yang berkuasa
Terdapat konsep kesan bukan linear. Ini adalah kesan pelik sahaja yang cukupgelombang kuat dan bergantung kepada amplitudnya. Dalam fizik, terdapat bahagian khas yang mengkaji gelombang kuat - akustik tak linear. Beberapa contoh perkara yang dia siasat ialah guruh, letupan dalam air, gelombang seismik daripada gempa bumi. Dua soalan timbul.
- Pertama: apakah kuasa bunyi?
- Kedua: apakah kesan bukan linear, apakah yang luar biasa mengenainya, di mana ia digunakan?
Apakah itu gelombang akustik
Gelombang bunyi ialah bahagian pemampatan-jarang yang mencapah dalam medium. Di mana-mana tempatnya, tekanan berubah. Ini disebabkan oleh perubahan dalam nisbah mampatan. Perubahan yang ditindih pada tekanan awal yang berada di persekitaran dipanggil tekanan bunyi.
Aliran tenaga sonik
Gelombang mempunyai tenaga yang mengubah bentuk medium (jika bunyi merambat di atmosfera, maka ini adalah tenaga ubah bentuk elastik udara). Di samping itu, gelombang mempunyai tenaga kinetik molekul. Arah aliran tenaga bertepatan dengan arah bunyi mencapah. Aliran tenaga yang melalui satu unit luas per unit masa mencirikan keamatan. Dan ini merujuk kepada kawasan yang berserenjang dengan pergerakan gelombang.
Intensiti
Kedua-dua keamatan I dan tekanan akustik p bergantung pada sifat medium. Kami tidak akan memikirkan kebergantungan ini, kami hanya akan memberikan formula keamatan bunyi yang berkaitan p, I dan ciri-ciri medium - ketumpatan (ρ) dan kelajuan bunyi dalam medium (c):
Saya=p02/2ρc.
Di sinip0 - amplitud tekanan akustik.
Apakah bunyi yang kuat dan lemah? Daya (N) biasanya ditentukan oleh tahap tekanan bunyi - nilai yang dikaitkan dengan amplitud gelombang. Unit keamatan bunyi ialah desibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Di sini pp ialah tekanan ambang yang diambil secara bersyarat bersamaan dengan 2×10-5 Pa. Tekanan pp kira-kira sepadan dengan keamatan Ip=10-12 W/m2 ialah bunyi yang sangat samar yang masih boleh dirasakan oleh telinga manusia di udara pada frekuensi 1000 Hz. Bunyi lebih kuat lebih tinggi tahap tekanan akustik.
Jilid
Idea subjektif tentang kekuatan bunyi dikaitkan dengan konsep kenyaringan, iaitu, ia terikat pada julat frekuensi yang dirasakan oleh telinga (lihat jadual).
Dan bagaimana pula apabila kekerapan berada di luar julat ini - dalam bidang ultrasound? Dalam keadaan ini (semasa eksperimen dengan ultrasound pada frekuensi urutan 1 megahertz) adalah lebih mudah untuk memerhatikan kesan bukan linear di bawah keadaan makmal. Kami menyimpulkan bahawa masuk akal untuk memanggil gelombang akustik yang kuat yang kesan tak linear menjadi ketara.
Kesan tidak linear
Adalah diketahui bahawa gelombang biasa (linear), yang keamatan bunyinya rendah, merambat dalam medium tanpa mengubah bentuknya. Dalam kes ini, kedua-dua kawasan jarang dan mampatan bergerak di angkasa pada kelajuan yang sama - ini ialah kelajuan bunyi dalam medium. Jika sumbermenghasilkan gelombang, maka profilnya kekal dalam bentuk sinusoid pada sebarang jarak daripadanya.
Dalam gelombang bunyi yang kuat, gambar adalah berbeza: kawasan mampatan (tekanan bunyi positif) bergerak pada kelajuan melebihi kelajuan bunyi, dan kawasan jarang - pada kelajuan kurang daripada kelajuan bunyi dalam medium yang diberikan. Akibatnya, profil banyak berubah. Permukaan hadapan menjadi sangat curam, dan bahagian belakang gelombang menjadi lebih lembut. Perubahan bentuk yang kuat adalah kesan bukan linear. Lebih kuat gelombang, lebih besar amplitudnya, lebih cepat profil diherotkan.
Untuk masa yang lama dianggap mungkin untuk menghantar ketumpatan tenaga tinggi pada jarak jauh menggunakan pancaran akustik. Contoh yang memberi inspirasi ialah laser yang mampu memusnahkan struktur, menebuk lubang, berada pada jarak yang jauh. Nampaknya penggantian cahaya dengan bunyi adalah mungkin. Walau bagaimanapun, terdapat kesukaran yang menjadikannya mustahil untuk mencipta senjata ultrasonik.
Ternyata untuk sebarang jarak terdapat nilai sempadan bagi keamatan bunyi yang akan sampai ke sasaran. Semakin jauh jaraknya, semakin rendah intensitinya. Dan pengecilan biasa gelombang akustik apabila melalui medium tidak ada kaitan dengannya. Pengecilan meningkat dengan ketara dengan peningkatan kekerapan. Walau bagaimanapun, ia boleh dipilih supaya pengecilan biasa (linear) pada jarak yang diperlukan boleh diabaikan. Untuk isyarat dengan frekuensi 1 MHz dalam air, ini ialah 50 m, untuk ultrasound amplitud yang cukup besar, ia boleh hanya 10 cm.
Mari bayangkan bahawa gelombang dijana di beberapa tempat di angkasa, keamatanbunyi yang sedemikian rupa sehingga kesan tak linear akan mempengaruhi tingkah lakunya dengan ketara. Amplitud ayunan akan berkurangan dengan jarak dari punca. Ini akan berlaku lebih cepat, lebih besar amplitud awal p0. Pada nilai yang sangat tinggi, kadar pereputan gelombang tidak bergantung pada nilai isyarat awal p0. Proses ini berterusan sehingga gelombang mereput dan kesan tak linear berhenti. Selepas itu, ia akan menyimpang dalam mod bukan linear. Pengecilan selanjutnya berlaku mengikut undang-undang akustik linear, iaitu, ia jauh lebih lemah dan tidak bergantung pada magnitud gangguan awal.
Bagaimanakah ultrasound berjaya digunakan dalam banyak industri: ia digerudi, dibersihkan, dsb. Dengan manipulasi ini, jarak dari pemancar adalah kecil, jadi pengecilan tak linear belum sempat untuk mendapatkan momentum.
Mengapa gelombang kejutan mempunyai kesan yang begitu kuat pada halangan? Adalah diketahui bahawa letupan boleh memusnahkan struktur yang terletak agak jauh. Tetapi gelombang kejutan adalah bukan linear, jadi kadar pereputan mestilah lebih tinggi daripada gelombang yang lebih lemah.
Intinya ialah ini: satu isyarat tidak bertindak seperti isyarat berkala. Nilai puncaknya berkurangan dengan jarak dari sumber. Dengan meningkatkan amplitud gelombang (contohnya, kekuatan letupan), adalah mungkin untuk mencapai tekanan besar pada halangan pada jarak tertentu (walaupun kecil) dan dengan itu memusnahkannya.
