ברומן "סוד שני אוקיינוסים" ובסרט ההרפתקאות באותו השם, הגיבורים עשו דברים בלתי נתפסים עם נשק קולי: הם השמידו סלע, הרגו לווייתן ענק והשמידו את הספינה של שלהם. אויבים. העבודה פורסמה עוד בשנות ה-30 של המאה העשרים, ואז האמינו שבעתיד הקרוב יתאפשר קיומו של נשק קולי חזק - הכל עניין של זמינות הטכנולוגיה. כיום, המדע טוען שגלים קוליים ככלי נשק הם פנטסטיים.
דבר נוסף הוא השימוש באולטרסאונד למטרות שלווה (ניקוי אולטרסאונד, קידוח חורים, ריסוק אבנים בכליות וכו'). לאחר מכן, נבין כיצד מתנהגים גלים אקוסטיים בעלי משרעת גדולה ועוצמת קול.
תכונת צלילים עוצמתיים
יש מושג של אפקטים לא ליניאריים. אלו השפעות מוזרות מספיקגלים חזקים ובהתאם למשרעת שלהם. בפיזיקה יש אפילו קטע מיוחד החוקר גלים חזקים - אקוסטיקה לא ליניארית. כמה דוגמאות למה שהיא חוקרת הן רעמים, פיצוצים מתחת למים, גלים סיסמיים מרעידות אדמה. עולות שתי שאלות.
- ראשית: מה כוחו של צליל?
- שני: מהן אפקטים לא ליניאריים, מה יוצא דופן בהם, איפה משתמשים בהם?
מהו גל אקוסטי
גל קול הוא קטע של דחיסה-נדירות המתפצלת במדיום. בכל אחד מהמקומות שלו, הלחץ משתנה. זה נובע משינוי ביחס הדחיסה. שינויים המוטלים על הלחץ הראשוני שהיה בסביבה נקראים לחץ קול.
זרימת אנרגיה קולית
לגל יש אנרגיה המעוותת את המדיום (אם צליל מתפשט באטמוספירה, אז זו האנרגיה של דפורמציה אלסטית של האוויר). בנוסף, לגל יש את האנרגיה הקינטית של המולקולות. כיוון זרימת האנרגיה עולה בקנה אחד עם זה שבו הקול מתפצל. זרימת האנרגיה העוברת דרך יחידת שטח ליחידת זמן מאפיינת את העוצמה. וזה מתייחס לאזור המאונך לתנועת הגל.
אינטנסיביות
גם עוצמת I וגם לחץ אקוסטי p תלויים במאפייני המדיום. לא נתעכב על התלות הללו, ניתן רק את נוסחת עוצמת הצליל המתייחסת ל-p, I ולמאפייני המדיום - הצפיפות (ρ) ומהירות הקול במדיום (c):
I=p02/2ρc.
כאןp0 - משרעת לחץ אקוסטית.
מהו רעש חזק וחלש? הכוח (N) נקבע בדרך כלל לפי רמת לחץ הקול - ערך הקשור למשרעת הגל. יחידת עוצמת הקול היא הדציבלים (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
כאן pp הוא לחץ הסף שנלקח באופן מותנה שווה ל-2×10-5 Pa. לחץ pp תואם בערך לעוצמה Ip=10-12 W/m2 הוא צליל חלש מאוד שעדיין יכול להיקלט על ידי האוזן האנושית באוויר בתדר של 1000 הרץ. הצליל חזק יותר ככל שרמת הלחץ האקוסטי גבוהה יותר.
כרך
רעיונות סובייקטיביים לגבי עוצמת הצליל קשורים למושג עוצמת קול, כלומר, הם קשורים לטווח התדרים הנקלט על ידי האוזן (ראה טבלה).
ומה לגבי כשהתדר נמצא מחוץ לטווח הזה - בתחום האולטרסאונד? במצב זה (במהלך ניסויים באולטרסאונד בתדרים בסדר גודל של 1 מגה-הרץ) קל יותר לצפות בהשפעות לא ליניאריות בתנאי מעבדה. אנו מסיקים כי הגיוני לקרוא לגלים אקוסטיים רבי עוצמה שעבורם הופכים השפעות לא ליניאריות בולטות.
אפקטים לא ליניאריים
ידוע שגל רגיל (ליניארי), שעוצמת הקול שלו נמוכה, מתפשט במדיום מבלי לשנות את צורתו. במקרה זה, גם אזורי הנידוף וגם אזורי הדחיסה נעים בחלל באותה מהירות - זוהי מהירות הקול במדיום. אם המקוריוצר גל, ואז הפרופיל שלו נשאר בצורה של סינוסואיד בכל מרחק ממנו.
בגל קול אינטנסיבי, התמונה שונה: אזורי דחיסה (לחץ הקול חיובי) נעים במהירות העולה על מהירות הקול, ואזורי הרחקה - במהירות נמוכה ממהירות הקול ב מדיום נתון. כתוצאה מכך, הפרופיל משתנה מאוד. המשטחים הקדמיים נעשים תלולים מאוד, וחלקו האחורי של הגל נעשים עדינים יותר. שינויים חזקים כאלה הם האפקט הלא ליניארי. ככל שהגל חזק יותר, האמפליטודה שלו גדולה יותר, הפרופיל מתעוות מהר יותר.
במשך זמן רב נחשב לאפשרי העברת צפיפות אנרגיה גבוהה למרחקים ארוכים באמצעות אלומה אקוסטית. דוגמה מעוררת השראה הייתה לייזר המסוגל להרוס מבנים, לנקב חורים, להיות במרחק גדול. נראה שהחלפת האור בסאונד אפשרית. עם זאת, ישנם קשיים שלא מאפשרים ליצור נשק קולי.
מסתבר שלכל מרחק יש ערך גבול לעוצמת הצליל שתגיע ליעד. ככל שהמרחק גדול יותר, כך העוצמה נמוכה יותר. והנחתה הרגילה של גלים אקוסטיים במעבר דרך המדיום לא קשורה לזה. הנחתה עולה באופן ניכר עם התדירות הגוברת. עם זאת, ניתן לבחור כך שניתן להזניח את ההנחתה הרגילה (הליניארית) במרחקים הנדרשים. עבור אות עם תדר של 1 מגה-הרץ במים, זה 50 מ', עבור אולטרסאונד עם משרעת גדולה מספיק, זה יכול להיות רק 10 ס מ.
בוא נדמיין שגל נוצר במקום כלשהו בחלל, העוצמההצליל שלו הוא כזה שהשפעות לא ליניאריות ישפיעו באופן משמעותי על התנהגותו. משרעת התנודה תפחת עם המרחק מהמקור. זה יקרה ככל שיותר מוקדם, המשרעת הראשונית p0 תהיה גדולה יותר. בערכים גבוהים מאוד, קצב דעיכת הגל אינו תלוי בערך האות ההתחלתי p0. תהליך זה נמשך עד שהגל מתפוגג וההשפעות הלא ליניאריות מפסיקות. לאחר מכן, הוא יתפצל במצב לא ליניארי. הנחתה נוספת מתרחשת על פי חוקי האקוסטיקה הליניארית, כלומר, היא חלשה הרבה יותר ואינה תלויה בגודל ההפרעה הראשונית.
איך אם כן נעשה שימוש מוצלח באולטרסאונד בתעשיות רבות: הם קודחים, מנוקים וכו'. עם מניפולציות אלה, המרחק מהפולט קטן, כך שההנחתה הלא ליניארית עדיין לא הספיקה לצבור תאוצה.
למה לגלי הלם יש השפעה כל כך חזקה על מכשולים? ידוע כי פיצוצים יכולים להרוס מבנים הממוקמים די רחוק. אבל גל ההלם אינו ליניארי, ולכן קצב ההתפרקות חייב להיות גבוה מזה של גלים חלשים יותר.
השורה התחתונה היא כזו: אות בודד אינו פועל כמו אות תקופתי. ערך השיא שלו יורד עם המרחק מהמקור. על ידי הגדלת משרעת הגל (לדוגמה, עוצמת הפיצוץ), ניתן להשיג לחצים גדולים על המכשול במרחק נתון (גם אם קטן) ובכך להרוס אותו.
