V románe „Tajomstvo dvoch oceánov“a v rovnomennom dobrodružnom filme dokázali hrdinovia pomocou ultrazvukových zbraní nepredstaviteľné veci: zničili kameň, zabili obrovskú veľrybu a zničili loď svojho nepriateľov. Práca bola publikovaná už v 30-tych rokoch XX storočia a potom sa verilo, že v blízkej budúcnosti bude možná existencia výkonnej ultrazvukovej zbrane - je to všetko o dostupnosti technológie. Dnes veda tvrdí, že ultrazvukové vlny ako zbrane sú fantastické.
Ďalšia vec je využitie ultrazvuku na mierové účely (ultrazvukové čistenie, vŕtanie otvorov, drvenie obličkových kameňov atď.). Ďalej pochopíme, ako sa správajú akustické vlny s veľkou amplitúdou a intenzitou zvuku.
Funkcia výkonných zvukov
Existuje koncept nelineárnych efektov. Toto sú efekty dosť zvláštnesilných vĺn a v závislosti od ich amplitúdy. Vo fyzike dokonca existuje špeciálna sekcia, ktorá študuje silné vlny - nelineárnu akustiku. Niekoľko príkladov toho, čo skúma, sú hromy, podvodné výbuchy, seizmické vlny zo zemetrasení. Vynárajú sa dve otázky.
- Po prvé: aká je sila zvuku?
- Po druhé: čo sú to nelineárne efekty, čo je na nich nezvyčajné, kde sa používajú?
Čo je akustická vlna
Zvuková vlna je úsek kompresie-reakcie, ktorý sa v médiu líši. Na ktoromkoľvek z jeho miest sa tlak mení. Je to spôsobené zmenou kompresného pomeru. Zmeny superponované na počiatočnom tlaku, ktorý bol v prostredí, sa nazývajú akustický tlak.
Tok zvukovej energie
Vlna má energiu, ktorá deformuje médium (ak sa zvuk šíri v atmosfére, potom je to energia elastickej deformácie vzduchu). Okrem toho má vlna kinetickú energiu molekúl. Smer toku energie sa zhoduje so smerom, v ktorom sa zvuk rozchádza. Intenzitu charakterizuje tok energie prechádzajúci jednotkou plochy za jednotku času. A to sa týka oblasti kolmej na pohyb vlny.
Intenzita
Intenzita I aj akustický tlak p závisia od vlastností média. Nebudeme sa zaoberať týmito závislosťami, uvedieme iba vzorec intenzity zvuku týkajúci sa p, I a charakteristiky média - hustotu (ρ) a rýchlosť zvuku v médiu (c):
I=p02/2ρc.
Tup0 - amplitúda akustického tlaku.
Čo je silný a slabý hluk? Sila (N) je zvyčajne určená úrovňou akustického tlaku - hodnotou, ktorá je spojená s amplitúdou vlny. Jednotkou intenzity zvuku je decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Tu pp je podmienečne braný prahový tlak rovný 2×10-5 Pa. Tlak pp približne zodpovedá intenzite Ip=10-12 W/m2 je veľmi slabý zvuk, ktorý môže ľudské ucho stále vnímať vo vzduchu pri frekvencii 1000 Hz. Zvuk je tým silnejší, čím vyššia je hladina akustického tlaku.
Volume
Subjektívne predstavy o sile zvuku sú spojené s pojmom hlasitosť, to znamená, že sú viazané na frekvenčný rozsah vnímaný uchom (pozri tabuľku).
A čo keď frekvencia leží mimo tohto rozsahu – v oblasti ultrazvuku? Práve v tejto situácii (počas experimentov s ultrazvukom pri frekvenciách rádovo 1 megahertz) je v laboratórnych podmienkach ľahšie pozorovať nelineárne efekty. Dospeli sme k záveru, že má zmysel nazývať silné akustické vlny, pri ktorých sa prejavia nelineárne efekty.
Nelineárne efekty
Je známe, že obyčajná (lineárna) vlna, ktorej intenzita zvuku je nízka, sa šíri v médiu bez toho, aby zmenila svoj tvar. V tomto prípade sa oblasti riedenia aj kompresie pohybujú v priestore rovnakou rýchlosťou – to je rýchlosť zvuku v médiu. Ak zdrojgeneruje vlnu, potom jej profil zostáva vo forme sínusoidy v akejkoľvek vzdialenosti od nej.
Pri intenzívnej zvukovej vlne je obraz odlišný: oblasti kompresie (zvukový tlak je kladný) sa pohybujú rýchlosťou presahujúcou rýchlosť zvuku a oblasti riedenia - rýchlosťou menšou ako rýchlosť zvuku v dané médium. V dôsledku toho sa profil veľmi mení. Predné plochy sú veľmi strmé a zadné strany vlny sú jemnejšie. Takéto silné zmeny tvaru sú nelineárnym efektom. Čím silnejšia je vlna, tým väčšia je jej amplitúda, tým rýchlejšie je profil skreslený.
Po dlhú dobu sa považovalo za možné prenášať vysoké hustoty energie na veľké vzdialenosti pomocou akustického lúča. Inšpiratívnym príkladom bol laser schopný ničiť štruktúry, dierovať diery, byť na veľkú vzdialenosť. Zdá sa, že nahradenie svetla zvukom je možné. Existujú však ťažkosti, ktoré znemožňujú vytvorenie ultrazvukovej zbrane.
Ukazuje sa, že pre akúkoľvek vzdialenosť existuje hraničná hodnota intenzity zvuku, ktorý dosiahne cieľ. Čím väčšia vzdialenosť, tým nižšia intenzita. A obvyklé tlmenie akustických vĺn pri prechode médiom s tým nemá nič spoločné. Útlm sa výrazne zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Dá sa však zvoliť tak, aby bolo možné zanedbať obvyklý (lineárny) útlm v požadovaných vzdialenostiach. Pre signál s frekvenciou 1 MHz vo vode je to 50 m, pre ultrazvuk s dostatočne veľkou amplitúdou to môže byť len 10 cm.
Predstavme si, že na nejakom mieste v priestore vzniká vlna, intenzitaktorého zvuk je taký, že nelineárne efekty výrazne ovplyvnia jeho správanie. Amplitúda oscilácie sa bude zmenšovať so vzdialenosťou od zdroja. Stane sa tak čím skôr, tým väčšia je počiatočná amplitúda p0. Pri veľmi vysokých hodnotách rýchlosť rozpadu vlny nezávisí od hodnoty počiatočného signálu p0. Tento proces pokračuje, kým sa vlna nerozpadne a nelineárne efekty sa nezastavia. Potom sa bude rozchádzať v nelineárnom režime. Ďalší útlm nastáva podľa zákonov lineárnej akustiky, t.j. je oveľa slabší a nezávisí od veľkosti počiatočného rušenia.
Ako sa potom ultrazvuk úspešne používa v mnohých odvetviach: vŕtajú sa, čistia atď. Pri týchto manipuláciách je vzdialenosť od žiariča malá, takže nelineárne zoslabenie ešte nestihlo nabrať na sile.
Prečo majú rázové vlny taký silný vplyv na prekážky? Je známe, že výbuchy môžu zničiť štruktúry umiestnené dosť ďaleko. Rázová vlna je však nelineárna, takže miera tlmenia musí byť vyššia ako u slabších vĺn.
Podstata je nasledovná: jeden signál nepôsobí ako periodický. Jeho špičková hodnota klesá so vzdialenosťou od zdroja. Zvýšením amplitúdy vlny (napríklad sily výbuchu) je možné dosiahnuť veľké tlaky na prekážku v danej (aj keď malej) vzdialenosti a tým ju zničiť.
