I romanen "The Secret of Two Oceans" og i eventyrfilmen af samme navn gjorde heltene ufattelige ting med ultralydsvåben: de ødelagde en sten, dræbte en enorm hval og ødelagde deres skib fjender. Værket blev offentliggjort tilbage i 30'erne af det XX århundrede, og så troede man, at eksistensen af et kraftfuldt ultralydsvåben i den nærmeste fremtid ville blive muligt - det handler om tilgængeligheden af teknologi. I dag hævder videnskaben, at ultralydsbølger som våben er fantastiske.
En anden ting er brugen af ultralyd til fredelige formål (ultralydsrensning, boring af huller, knusning af nyresten osv.). Dernæst vil vi forstå, hvordan akustiske bølger med stor amplitude og lydintensitet opfører sig.
Kraftfuld lydfunktion
Der er et koncept med ikke-lineære effekter. Disse er effekter, der kun er ejendommelige nokstærke bølger og afhængig af deres amplitude. I fysik er der endda et særligt afsnit, der studerer kraftige bølger - ikke-lineær akustik. Et par eksempler på det, hun undersøger, er torden, undervandseksplosioner, seismiske bølger fra jordskælv. To spørgsmål rejser sig.
- For det første: hvad er lydens kraft?
- For det andet: hvad er ikke-lineære effekter, hvad er usædvanligt ved dem, hvor bruges de?
Hvad er en akustisk bølge
En lydbølge er en sektion af kompression-sjældenhed, der divergerer i mediet. Alle steder ændres trykket. Dette skyldes en ændring i kompressionsforholdet. Ændringer overlejret på det indledende tryk, der var i miljøet, kaldes lydtryk.
Sonic energiflow
En bølge har energi, der deformerer mediet (hvis lyd forplanter sig i atmosfæren, så er dette energien af elastisk deformation af luft). Derudover har bølgen molekylernes kinetiske energi. Retningen af energistrømmen falder sammen med den, hvori lyden divergerer. Strømmen af energi, der passerer gennem en enhedsareal pr. tidsenhed, karakteriserer intensiteten. Og dette refererer til området vinkelret på bølgens bevægelse.
Intensitet
Både intensitet I og akustisk tryk p afhænger af mediets egenskaber. Vi vil ikke dvæle ved disse afhængigheder, vi vil kun give lydintensitetsformlen vedrørende p, I og mediets karakteristika - tætheden (ρ) og lydens hastighed i mediet (c):
I=p02/2ρc.
Herp0 - akustisk trykamplitude.
Hvad er stærk og svag støj? Kraften (N) bestemmes norm alt af lydtrykniveauet - en værdi, der er forbundet med bølgens amplitude. Enheden for lydintensitet er decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Her pp er tærskeltrykket betinget taget lig med 2×10-5 Pa. Tryk pp svarer nogenlunde til intensiteten Ip=10-12 W/m2 er en meget svag lyd, der stadig kan opfattes af det menneskelige øre i luften ved en frekvens på 1000 Hz. Lyden er stærkere, jo højere det akustiske trykniveau er.
Bind
Subjektive ideer om lydens styrke er forbundet med begrebet loudness, det vil sige, at de er bundet til det frekvensområde, som øret opfatter (se tabel).
Og hvad med, når frekvensen ligger uden for dette område - inden for ultralyd? Det er i denne situation (under eksperimenter med ultralyd ved frekvenser af størrelsesordenen 1 megahertz), at det er lettere at observere ikke-lineære effekter under laboratorieforhold. Vi konkluderer, at det giver mening at kalde kraftige akustiske bølger, for hvilke ikke-lineære effekter bliver mærkbare.
Ikke-lineære effekter
Det er kendt, at en almindelig (lineær) bølge, hvis lydintensitet er lav, forplanter sig i et medium uden at ændre dens form. I dette tilfælde bevæger både sjældne områder og kompressionsområder sig i rummet med samme hastighed - dette er lydens hastighed i mediet. Hvis kildengenererer en bølge, så forbliver dens profil i form af en sinusformet i enhver afstand fra den.
I en intens lydbølge er billedet anderledes: områder med kompression (lydtrykket er positivt) bevæger sig med en hastighed, der overstiger lydens hastighed, og områder med sjældenhed - med en hastighed, der er mindre end lydens hastighed i et givet medie. Som følge heraf ændrer profilen sig meget. De forreste flader bliver meget stejle, og bagsiden af bølgen bliver mere blid. Sådanne stærke formændringer er den ikke-lineære effekt. Jo stærkere bølgen er, jo større dens amplitude, jo hurtigere forvrænges profilen.
I lang tid blev det anset for muligt at transmittere høje energitætheder over lange afstande ved hjælp af en akustisk stråle. Et inspirerende eksempel var en laser, der var i stand til at ødelægge strukturer, slå huller, være på stor afstand. Det ser ud til, at udskiftning af lys med lyd er mulig. Der er dog vanskeligheder, der gør det umuligt at skabe et ultralydsvåben.
Det viser sig, at der for enhver afstand er en grænseværdi for intensiteten af den lyd, der vil nå målet. Jo større afstand, jo lavere intensitet. Og den sædvanlige dæmpning af akustiske bølger, når de passerer gennem mediet, har intet at gøre med det. Dæmpningen stiger markant med stigende frekvens. Det kan dog vælges således, at den sædvanlige (lineære) dæmpning ved de nødvendige afstande kan negligeres. For et signal med en frekvens på 1 MHz i vand er dette 50 m, for ultralyd med en tilstrækkelig stor amplitude kan det kun være 10 cm.
Lad os forestille os, at en bølge genereres et eller andet sted i rummet, intensitetenhvis lyd er sådan, at ikke-lineære effekter vil påvirke dens adfærd væsentligt. Oscillationsamplituden vil falde med afstanden fra kilden. Dette vil ske jo hurtigere, jo større er den indledende amplitude p0. Ved meget høje værdier afhænger bølgens henfaldshastighed ikke af værdien af startsignalet p0. Denne proces fortsætter, indtil bølgen henfalder, og de ikke-lineære effekter stopper. Derefter vil den afvige i en ikke-lineær tilstand. Yderligere dæmpning sker i henhold til lovene for lineær akustik, dvs. den er meget svagere og afhænger ikke af størrelsen af den indledende forstyrrelse.
Hvordan bruges ultralyd med succes i mange industrier: de bores, renses osv. Med disse manipulationer er afstanden fra emitteren lille, så den ikke-lineære dæmpning har endnu ikke haft tid til at tage fart.
Hvorfor har chokbølger så stærk en effekt på forhindringer? Det er kendt, at eksplosioner kan ødelægge strukturer placeret ret langt væk. Men chokbølgen er ikke-lineær, så henfaldshastigheden skal være højere end for svagere bølger.
Bundlinjen er denne: et enkelt signal virker ikke som et periodisk. Dens spidsværdi falder med afstanden fra kilden. Ved at øge bølgens amplitude (f.eks. styrken af eksplosionen) er det muligt at opnå store tryk på forhindringen på en given (selvom lille) afstand og derved ødelægge den.
