Romane „Dviejų vandenynų paslaptis“ir to paties pavadinimo nuotykių filme herojai ultragarsiniais ginklais padarė neįsivaizduojamų dalykų: sunaikino uolą, užmušė didžiulį banginį ir sunaikino savo laivą. priešai. Darbas buvo paskelbtas dar XX amžiaus 30-aisiais, tada buvo manoma, kad artimiausiu metu bus įmanomas galingas ultragarsinis ginklas - viskas priklauso nuo technologijos prieinamumo. Šiandien mokslas teigia, kad ultragarso bangos kaip ginklas yra fantastiški.
Kitas dalykas – ultragarso naudojimas taikiems tikslams (valymas ultragarsu, skylių gręžimas, inkstų akmenų smulkinimas ir kt.). Toliau suprasime, kaip elgiasi didelės amplitudės ir garso intensyvumo akustinės bangos.
Galingų garsų funkcija
Yra nelinijinių efektų koncepcija. Tai tik pakankamai saviti efektaistiprios bangos ir priklausomai nuo jų amplitudės. Fizikoje yra net specialus skyrius, kuriame tiriamos galingos bangos – netiesinė akustika. Keletas pavyzdžių, ką ji tiria, yra griaustinis, povandeniniai sprogimai, seisminės bangos dėl žemės drebėjimų. Kyla du klausimai.
- Pirma: kokia yra garso galia?
- Antra: kas yra nelinijiniai efektai, kas juose neįprasta, kur jie naudojami?
Kas yra akustinė banga
Garso banga yra suspaudimo ir retinimo dalis, kuri skiriasi terpėje. Bet kurioje jo vietoje slėgis pasikeičia. Taip yra dėl suspaudimo laipsnio pasikeitimo. Pokyčiai, atsiradę ant pradinio slėgio aplinkoje, vadinami garso slėgiu.
Garso energijos srautas
Banga turi energiją, kuri deformuoja terpę (jei garsas sklinda atmosferoje, tai yra oro tamprios deformacijos energija). Be to, banga turi molekulių kinetinę energiją. Energijos srauto kryptis sutampa su ta, kuria garsas išsiskiria. Energijos srautas, einantis per ploto vienetą per laiko vienetą, apibūdina intensyvumą. Ir tai reiškia plotą, statmeną bangos judėjimui.
Intensyvumas
Tiek intensyvumas I, tiek akustinis slėgis p priklauso nuo terpės savybių. Prie šių priklausomybių nesigilinsime, pateiksime tik garso intensyvumo formulę, susijusią su p, I ir terpės charakteristikomis – tankiu (ρ) ir garso greičiu terpėje (c):
I=p02/2ρc.
Čiap0 – akustinio slėgio amplitudė.
Kas yra stiprus ir silpnas triukšmas? Jėga (N) paprastai nustatoma pagal garso slėgio lygį – reikšmę, kuri yra susijusi su bangos amplitude. Garso intensyvumo vienetas yra decibelas (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Čia pp yra slenkstinis slėgis, sąlyginis lygus 2×10-5 Pa. Slėgis pp apytiksliai atitinka intensyvumą Ip=10-12 W/m2 yra labai silpnas garsas, kurį žmogaus ausis vis dar gali suvokti ore esant 1000 Hz dažniui. Garsas stipresnis, kuo didesnis akustinio slėgio lygis.
Tūris
Subjektyvios idėjos apie garso stiprumą siejamos su garsumo samprata, tai yra, jos yra susietos su ausies suvokiamu dažnių diapazonu (žr. lentelę).
O ką daryti, kai dažnis yra už šio diapazono ribų – ultragarso srityje? Būtent šioje situacijoje (atliekant eksperimentus su ultragarsu 1 megahercų dažniais) lengviau stebėti netiesinius efektus laboratorinėmis sąlygomis. Darome išvadą, kad prasminga vadinti galingas akustines bangas, kurių netiesiniai efektai tampa pastebimi.
Netiesiniai efektai
Žinoma, kad įprasta (tiesinė) banga, kurios garso intensyvumas mažas, sklinda terpėje nekeisdama savo formos. Šiuo atveju tiek retinimo, tiek suspaudimo sritys erdvėje juda vienodu greičiu – tai garso greitis terpėje. Jei š altinissukuria bangą, tada jos profilis lieka sinusoidės pavidalu bet kokiu atstumu nuo jos.
Intensyvioje garso bangoje vaizdas kitoks: suspaudimo sritys (garso slėgis yra teigiamas) juda greičiu, viršijančiu garso greitį, o retėjimo sritys - mažesniu nei garso greitis tam tikra terpė. Dėl to profilis labai pasikeičia. Priekiniai paviršiai tampa labai statūs, o užpakalinė bangos dalis tampa švelnesnė. Tokie stiprūs formos pokyčiai yra nelinijinis efektas. Kuo stipresnė banga, tuo didesnė jos amplitudė, tuo greičiau iškraipomas profilis.
Ilgą laiką buvo manoma, kad naudojant akustinį pluoštą galima perduoti didelius energijos tankius dideliais atstumais. Įkvepiantis pavyzdys buvo lazeris, galintis sugriauti konstrukcijas, išmušti skylutes, būti dideliu atstumu. Atrodo, kad šviesą pakeisti garsu įmanoma. Tačiau yra sunkumų, dėl kurių neįmanoma sukurti ultragarso ginklo.
Pasirodo, kad bet kokiam atstumui yra garso, kuris pasieks tikslą, intensyvumo ribinė vertė. Kuo didesnis atstumas, tuo mažesnis intensyvumas. O įprastas akustinių bangų susilpnėjimas praeinant per terpę neturi nieko bendra. Slopinimas pastebimai didėja didėjant dažniui. Tačiau jį galima pasirinkti taip, kad būtų galima nepaisyti įprasto (tiesinio) slopinimo reikiamais atstumais. 1 MHz dažnio signalui vandenyje tai yra 50 m, o pakankamai didelės amplitudės ultragarsui jis gali būti tik 10 cm.
Įsivaizduokime, kad banga sukuriama kažkurioje erdvės vietoje, jos intensyvumaskurio garsas yra toks, kad netiesiniai efektai reikšmingai paveiks jo elgesį. Virpesių amplitudė mažės didėjant atstumui nuo š altinio. Tai įvyks kuo anksčiau, tuo didesnė pradinė amplitudė p0. Esant labai didelėms reikšmėms, bangos slopinimo greitis nepriklauso nuo pradinio signalo reikšmės p0. Šis procesas tęsiasi tol, kol banga nyksta ir netiesiniai efektai sustoja. Po to jis skirsis nelinijiniu režimu. Tolesnis slopinimas vyksta pagal tiesinės akustikos dėsnius, t.y. jis yra daug silpnesnis ir nepriklauso nuo pradinio trikdymo dydžio.
Kaip tada ultragarsas sėkmingai naudojamas daugelyje pramonės šakų: jie gręžiami, valomi ir pan. Atliekant šias manipuliacijas atstumas nuo emiterio yra mažas, todėl netiesinis slopinimas dar nespėjo įsibėgėti.
Kodėl smūginės bangos taip stipriai veikia kliūtis? Yra žinoma, kad sprogimai gali sunaikinti gana toli esančias konstrukcijas. Tačiau smūginė banga yra netiesinė, todėl slopinimo greitis turi būti didesnis nei silpnesnių bangų.
Esmė tokia: vienas signalas neveikia kaip periodiškas. Jo didžiausia vertė mažėja tolstant nuo š altinio. Padidinus bangos amplitudę (pavyzdžiui, sprogimo stiprumą), galima pasiekti didelį kliūtį tam tikru (net jei mažu) atstumu ir taip ją sunaikinti.
