Sa nobelang "The Secret of Two Oceans" at sa adventure film na may parehong pangalan, ang mga bayani ay gumawa ng mga bagay na hindi maiisip gamit ang mga ultrasonic na armas: sinira nila ang isang bato, pumatay ng malaking balyena, at winasak ang barko ng kanilang mga kaaway. Ang gawain ay nai-publish noong 30s ng XX siglo, at pagkatapos ay pinaniniwalaan na sa malapit na hinaharap ang pagkakaroon ng isang malakas na sandata ng ultrasonic ay magiging posible - lahat ito ay tungkol sa pagkakaroon ng teknolohiya. Sa ngayon, sinasabi ng agham na ang mga ultrasonic wave bilang mga sandata ay hindi kapani-paniwala.
Ang isa pang bagay ay ang paggamit ng ultrasound para sa mapayapang layunin (ultrasonic na paglilinis, pagbabarena ng mga butas, pagdurog ng mga bato sa bato, atbp.). Susunod, mauunawaan natin kung paano kumikilos ang mga acoustic wave na may malaking amplitude at intensity ng tunog.
feature na malalakas na tunog
May konsepto ng mga di-linear na epekto. Ang mga ito ay mga kakaibang epekto lamang sapatmalakas na alon at depende sa kanilang amplitude. Sa pisika, mayroong kahit isang espesyal na seksyon na nag-aaral ng malalakas na alon - nonlinear acoustics. Ang ilang mga halimbawa ng kanyang iniimbestigahan ay kulog, pagsabog sa ilalim ng dagat, mga seismic wave mula sa mga lindol. Dalawang tanong ang lumabas.
- Una: ano ang kapangyarihan ng tunog?
- Pangalawa: ano ang mga di-linear na epekto, ano ang hindi pangkaraniwan sa mga ito, saan ginagamit ang mga ito?
Ano ang acoustic wave
Ang sound wave ay isang seksyon ng compression-rarefaction na nag-iiba sa medium. Sa alinmang lugar nito, nagbabago ang presyon. Ito ay dahil sa pagbabago sa compression ratio. Ang mga pagbabagong nakapatong sa paunang presyon na nasa kapaligiran ay tinatawag na sound pressure.
Sonic energy flow
Ang isang alon ay may enerhiya na nagpapa-deform sa daluyan (kung ang tunog ay nagpapalaganap sa atmospera, kung gayon ito ang enerhiya ng elastic deformation ng hangin). Bilang karagdagan, ang alon ay may kinetic energy ng mga molekula. Ang direksyon ng daloy ng enerhiya ay tumutugma sa kung saan ang tunog ay nag-iiba. Ang daloy ng enerhiya na dumadaan sa isang unit area kada yunit ng oras ay nagpapakilala sa intensity. At ito ay tumutukoy sa lugar na patayo sa paggalaw ng alon.
Intensity
Ang parehong intensity I at acoustic pressure p ay nakasalalay sa mga katangian ng medium. Hindi tayo magtatagal sa mga dependency na ito, bibigyan lang natin ng sound intensity formula na nauugnay sa p, I at ang mga katangian ng medium - ang density (ρ) at ang bilis ng tunog sa medium (c):
I=p02/2ρc.
Naritop0 - amplitude ng acoustic pressure.
Ano ang malakas at mahinang ingay? Ang puwersa (N) ay karaniwang tinutukoy ng antas ng presyon ng tunog - isang halaga na nauugnay sa amplitude ng alon. Ang yunit ng intensity ng tunog ay ang decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Dito ang pp ay ang threshold pressure na may kondisyong kinukuha na katumbas ng 2×10-5 Pa. Ang presyon pp ay halos tumutugma sa intensity Ip=10-12 W/m Ang2 ay isang napakahinang tunog na maaari pa ring maramdaman ng tainga ng tao sa hangin sa dalas na 1000 Hz. Mas malakas ang tunog kapag mas mataas ang antas ng acoustic pressure.
Volume
Ang mga paksang ideya tungkol sa lakas ng tunog ay nauugnay sa konsepto ng loudness, ibig sabihin, nakatali ang mga ito sa frequency range na nakikita ng tainga (tingnan ang talahanayan).
At paano naman kapag ang dalas ay nasa labas ng saklaw na ito - sa larangan ng ultrasound? Nasa ganitong sitwasyon (sa panahon ng mga eksperimento sa ultrasound sa mga frequency ng pagkakasunud-sunod ng 1 megahertz) na mas madaling obserbahan ang mga nonlinear na epekto sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo. Napagpasyahan namin na makatuwirang tawagan ang malalakas na acoustic wave kung saan nagiging kapansin-pansin ang mga nonlinear effect.
Nonlinear effect
Alam na ang isang ordinaryong (linear) na alon, na mababa ang intensity ng tunog, ay kumakalat sa isang daluyan nang hindi nagbabago ang hugis nito. Sa kasong ito, ang parehong rarefaction at compression na mga rehiyon ay gumagalaw sa espasyo sa parehong bilis - ito ang bilis ng tunog sa daluyan. Kung ang pinagmulanbumubuo ng wave, pagkatapos ay mananatili ang profile nito sa anyo ng sinusoid sa anumang distansya mula rito.
Sa isang matinding sound wave, iba ang larawan: ang mga lugar ng compression (positibo ang sound pressure) ay gumagalaw sa bilis na lampas sa bilis ng tunog, at mga lugar ng rarefaction - sa bilis na mas mababa kaysa sa bilis ng tunog sa isang ibinigay na midyum. Dahil dito, malaki ang pagbabago sa profile. Ang mga ibabaw sa harap ay nagiging napakatarik, at ang mga likod ng alon ay nagiging mas banayad. Ang ganitong malakas na pagbabago sa hugis ay ang di-linear na epekto. Kung mas malakas ang alon, mas malaki ang amplitude nito, mas mabilis na madistort ang profile.
Sa mahabang panahon ay itinuring na posible na magpadala ng mataas na density ng enerhiya sa malalayong distansya gamit ang isang acoustic beam. Ang isang kagila-gilalas na halimbawa ay isang laser na may kakayahang sirain ang mga istruktura, pagsuntok ng mga butas, na nasa malayong distansya. Tila posible ang pagpapalit ng liwanag ng tunog. Gayunpaman, may mga paghihirap na ginagawang imposibleng lumikha ng isang ultrasonic na armas.
Lumalabas na para sa anumang distansya ay mayroong boundary value para sa intensity ng tunog na makakarating sa target. Kung mas malaki ang distansya, mas mababa ang intensity. At ang karaniwang pagpapahina ng mga acoustic wave kapag dumadaan sa daluyan ay walang kinalaman dito. Ang pagpapalambing ay tumataas nang husto sa pagtaas ng dalas. Gayunpaman, maaari itong mapili upang ang karaniwang (linear) attenuation sa mga kinakailangang distansya ay maaaring mapabayaan. Para sa isang signal na may dalas na 1 MHz sa tubig, ito ay 50 m, para sa ultrasound na may sapat na malaking amplitude, maaari itong maging 10 cm lamang.
Isipin natin na ang isang alon ay nabuo sa ilang lugar sa kalawakan, ang intensityang tunog ng kung saan ay tulad na nonlinear epekto ay makabuluhang makakaapekto sa pag-uugali nito. Ang amplitude ng oscillation ay bababa sa layo mula sa pinagmulan. Mangyayari ito nang mas maaga, mas malaki ang inisyal na amplitude p0. Sa napakataas na halaga, ang rate ng pagkabulok ng wave ay hindi nakadepende sa halaga ng paunang signal p0. Ang prosesong ito ay nagpapatuloy hanggang sa bumagsak ang alon at huminto ang mga hindi linear na epekto. Pagkatapos nito, mag-iiba ito sa isang non-linear na mode. Ang karagdagang pagpapahina ay nangyayari ayon sa mga batas ng linear acoustics, ibig sabihin, ito ay mas mahina at hindi nakadepende sa laki ng paunang kaguluhan.
Paano matagumpay na ginagamit ang ultrasound sa maraming industriya: ang mga ito ay na-drill, nililinis, atbp. Sa mga manipulasyong ito, ang distansya mula sa emitter ay maliit, kaya ang nonlinear attenuation ay wala pang oras upang makakuha ng momentum.
Bakit ang mga shock wave ay may napakalakas na epekto sa mga hadlang? Nabatid na ang mga pagsabog ay maaaring sirain ang mga istrukturang matatagpuan sa medyo malayo. Ngunit ang shock wave ay hindi linear, kaya ang rate ng pagkabulok ay dapat na mas mataas kaysa sa mas mahinang alon.
Ang bottom line ay ito: ang isang signal ay hindi kumikilos na parang pana-panahon. Bumababa ang peak value nito sa distansya mula sa pinagmulan. Sa pamamagitan ng pagtaas ng amplitude ng wave (halimbawa, ang lakas ng pagsabog), posibleng makamit ang malalaking pressure sa obstacle sa isang ibinigay (kahit maliit) na distansya at sa gayon ay sirain ito.
