U romanu "Tajna dva okeana" i u istoimenom avanturističkom filmu, junaci su ultrazvučnim oružjem učinili nezamislive stvari: uništili su kamen, ubili ogromnog kita i uništili svoj brod. neprijatelji. Rad je objavljen još 30-ih godina XX vijeka, a tada se vjerovalo da će u bliskoj budućnosti postojanje moćnog ultrazvučnog oružja postati moguće - sve je u dostupnosti tehnologije. Danas nauka tvrdi da su ultrazvučni talasi kao oružje fantastični.
Još jedna stvar je upotreba ultrazvuka u miroljubive svrhe (ultrazvučno čišćenje, bušenje rupa, drobljenje kamenca u bubregu itd.). Zatim ćemo razumjeti kako se ponašaju akustični valovi velike amplitude i intenziteta zvuka.
Funkcija moćnih zvukova
Postoji koncept nelinearnih efekata. Ovo su efekti koji su dovoljno neobičnijakih talasa i zavisno od njihove amplitude. U fizici postoji čak i poseban odjeljak koji proučava snažne valove - nelinearnu akustiku. Nekoliko primjera onoga što ona istražuje su grmljavina, podvodne eksplozije, seizmički talasi od zemljotresa. Postavljaju se dva pitanja.
- Prvo: koja je snaga zvuka?
- Drugo: šta su nelinearni efekti, šta je neobično kod njih, gdje se koriste?
Šta je akustični talas
Zvučni val je dio kompresije-razrjeđivanja koji se divergira u mediju. Na bilo kojem njegovom mjestu mijenja se pritisak. To je zbog promjene omjera kompresije. Promjene koje su nametnute na početni pritisak koji je bio u okolini nazivaju se zvučnim pritiskom.
Protok zvučne energije
Talas ima energiju koja deformiše medij (ako se zvuk širi u atmosferi, onda je to energija elastične deformacije vazduha). Uz to, val ima kinetičku energiju molekula. Smjer toka energije poklapa se sa onim u kojem se zvuk razilazi. Protok energije koji prolazi kroz jedinicu površine u jedinici vremena karakteriše intenzitet. A ovo se odnosi na područje okomito na kretanje vala.
Intenzitet
I intenzitet I i akustički pritisak p zavise od svojstava medija. Nećemo se zadržavati na ovim zavisnostima, daćemo samo formulu intenziteta zvuka koja se odnosi na p, I i karakteristike medija - gustinu (ρ) i brzinu zvuka u mediju (c):
I=p02/2ρc.
Ovdjep0 - amplituda akustičnog pritiska.
Šta je jaka i slaba buka? Sila (N) se obično određuje nivoom zvučnog pritiska - vrijednosti koja je povezana s amplitudom vala. Jedinica intenziteta zvuka je decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Ovde pp je granični pritisak uslovno uzet jednak 2×10-5 Pa. Pritisak pp otprilike odgovara intenzitetu Ip=10-12 W/m2 je veoma slab zvuk koji ljudsko uho još uvek može da oseti u vazduhu na frekvenciji od 1000 Hz. Zvuk je jači što je viši nivo akustičnog pritiska.
volumen
Subjektivne ideje o jačini zvuka povezane su sa konceptom glasnoće, odnosno vezane su za frekvencijski opseg koji uho percipira (vidi tabelu).
A šta kada je frekvencija izvan ovog opsega - u polju ultrazvuka? U ovoj situaciji (tokom eksperimenata sa ultrazvukom na frekvencijama od 1 megaherca) je lakše uočiti nelinearne efekte u laboratorijskim uslovima. Zaključujemo da ima smisla nazivati moćne akustične talase kod kojih postaju uočljivi nelinearni efekti.
Nelinearni efekti
Poznato je da se običan (linearni) talas, čiji je intenzitet zvuka nizak, širi u medijumu ne menjajući svoj oblik. U ovom slučaju, i područja razrjeđivanja i kompresije kreću se u prostoru istom brzinom - to je brzina zvuka u mediju. Ako je izvorgeneriše val, tada njegov profil ostaje u obliku sinusoida na bilo kojoj udaljenosti od njega.
U intenzivnom zvučnom talasu, slika je drugačija: oblasti kompresije (zvučni pritisak je pozitivan) kreću se brzinom većom od brzine zvuka, a oblasti razrjeđivanja - brzinom manjom od brzine zvuka u dati medij. Kao rezultat toga, profil se dosta mijenja. Prednje površine postaju vrlo strme, a stražnje strane vala postaju nježnije. Takve snažne promjene oblika su nelinearni efekat. Što je val jači, veća je njegova amplituda, profil se brže iskrivljuje.
Dugo se vremena smatralo mogućim prenošenje velike gustine energije na velike udaljenosti koristeći akustičnu zraku. Inspirativni primjer bio je laser sposoban da uništava strukture, buši rupe, da bude na velikoj udaljenosti. Čini se da je zamjena svjetla zvukom moguća. Međutim, postoje poteškoće koje onemogućuju stvaranje ultrazvučnog oružja.
Ispostavilo se da za bilo koju udaljenost postoji granična vrijednost za intenzitet zvuka koji će doći do cilja. Što je veća udaljenost, to je niži intenzitet. A uobičajeno slabljenje akustičnih valova prilikom prolaska kroz medij nema nikakve veze s tim. Prigušenje se značajno povećava sa povećanjem frekvencije. Međutim, može se odabrati tako da se uobičajeno (linearno) slabljenje na potrebnim udaljenostima može zanemariti. Za signal frekvencije od 1 MHz u vodi, ovo je 50 m, za ultrazvuk dovoljno velike amplitude može biti samo 10 cm.
Zamislimo da se talas generiše na nekom mestu u svemiru, intenzitetačiji je zvuk takav da će nelinearni efekti značajno uticati na njegovo ponašanje. Amplituda oscilovanja će se smanjivati sa rastojanjem od izvora. To će se dogoditi što prije, što je veća početna amplituda p0. Pri vrlo visokim vrijednostima, brzina opadanja talasa ne zavisi od vrijednosti početnog signala p0. Ovaj proces se nastavlja sve dok talas ne propadne i nelinearni efekti prestanu. Nakon toga će se divergirati u nelinearnom modu. Dalje slabljenje se dešava po zakonima linearne akustike, tj. mnogo je slabije i ne zavisi od veličine početnog poremećaja.
Kako se onda ultrazvuk uspješno koristi u mnogim industrijama: buše se, čiste, itd. Ovim manipulacijama, udaljenost od emitera je mala, tako da nelinearno slabljenje još nije imalo vremena da dobije zamah.
Zašto udarni talasi imaju tako snažan efekat na prepreke? Poznato je da eksplozije mogu uništiti objekte koji se nalaze prilično udaljeni. Ali udarni talas je nelinearan, tako da stopa raspadanja mora biti veća od one kod slabijih talasa.
Suština je sledeća: jedan signal ne deluje kao periodični. Njegova vršna vrijednost opada s udaljenosti od izvora. Povećanjem amplitude talasa (npr. jačine eksplozije) moguće je postići velike pritiske na prepreku na datoj (makar i maloj) udaljenosti i na taj način je uništiti.
