"İki Okyanusun Sırrı" romanında ve aynı adlı macera filminde, kahramanlar ultrasonik silahlarla hayal bile edilemeyecek şeyler yaptılar: bir kayayı yok ettiler, büyük bir balina öldürdüler ve gemilerini yok ettiler. düşmanlar. Çalışma XX yüzyılın 30'larında yayınlandı ve daha sonra yakın gelecekte güçlü bir ultrasonik silahın varlığının mümkün olacağına inanılıyordu - her şey teknolojinin mevcudiyeti ile ilgili. Bugün bilim, silah olarak ultrasonik dalgaların harika olduğunu iddia ediyor.
Başka bir şey de ultrasonun barışçıl amaçlarla kullanılmasıdır (ultrasonik temizleme, delik delme, böbrek taşlarını kırma vb.). Ardından, büyük genliğe ve ses yoğunluğuna sahip akustik dalgaların nasıl davrandığını anlayacağız.
Güçlü sesler özelliği
Doğrusal olmayan efektler kavramı vardır. Bunlar sadece yeterince özel efektlergüçlü dalgalar ve genliklerine bağlı olarak. Fizikte, güçlü dalgaları inceleyen özel bir bölüm bile var - doğrusal olmayan akustik. Araştırdığı şeylere birkaç örnek gök gürültüsü, su altı patlamaları, depremlerden kaynaklanan sismik dalgalardır. İki soru ortaya çıkıyor.
- Birincisi: Sesin gücü nedir?
- İkinci: Doğrusal olmayan etkiler nelerdir, bunlarla ilgili olağandışı olan nedir, nerede kullanılırlar?
Akustik dalga nedir
Ses dalgası, ortamda farklılaşan bir sıkıştırma-azalma bölümüdür. Herhangi bir yerinde basınç değişir. Bunun nedeni sıkıştırma oranındaki bir değişikliktir. Ortamdaki ilk basıncın üzerine bindirilen değişikliklere ses basıncı denir.
Sonik enerji akışı
Bir dalganın ortamı deforme eden enerjisi vardır (eğer ses atmosferde yayılırsa, bu havanın elastik deformasyonunun enerjisidir). Ayrıca dalga, moleküllerin kinetik enerjisine sahiptir. Enerji akışının yönü, sesin ayrıldığı yönle çakışır. Birim alandan birim zamanda geçen enerji akışı yoğunluğu karakterize eder. Bu da dalganın hareketine dik olan alanı ifade eder.
Yoğunluk
Hem yoğunluk I hem de akustik basınç p ortamın özelliklerine bağlıdır. Bu bağımlılıklar üzerinde durmayacağız, sadece p, I ve ortamın özellikleri - yoğunluk (ρ) ve ortamdaki ses hızı (c) ile ilgili ses şiddeti formülünü vereceğiz:
I=p02/2ρc.
buradap0 - akustik basınç genliği.
Güçlü ve zayıf gürültü nedir? Kuvvet (N) genellikle ses basıncı seviyesi ile belirlenir - dalganın genliği ile ilişkili bir değer. Ses yoğunluğunun birimi desibeldir (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Burada pp koşullu olarak 2×10-5 Pa'ya eşit alınan eşik basıncıdır. Basınç pp kabaca Ip=10-12 W/m yoğunluğuna karşılık gelir2 havadaki insan kulağı tarafından 1000 Hz frekansında hala algılanabilen çok zayıf bir sestir. Ses, akustik basınç seviyesi ne kadar yüksekse o kadar güçlüdür.
Hacim
Sesin gücüyle ilgili öznel fikirler, ses yüksekliği kavramıyla ilişkilidir, yani kulak tarafından algılanan frekans aralığına bağlıdırlar (tabloya bakın).
Peki ya frekans bu aralığın dışındaysa - ultrason alanında? Bu durumda (1 megahertz mertebesinde frekanslarda ultrason ile deneyler sırasında), laboratuvar koşullarında doğrusal olmayan etkileri gözlemlemek daha kolaydır. Doğrusal olmayan etkilerin fark edilebilir hale geldiği güçlü akustik dalgaları adlandırmanın mantıklı olduğu sonucuna vardık.
Doğrusal olmayan etkiler
Ses yoğunluğu düşük olan sıradan (doğrusal) bir dalganın bir ortamda şeklini değiştirmeden yayıldığı bilinmektedir. Bu durumda, hem seyrekleşme hem de sıkıştırma bölgeleri uzayda aynı hızda hareket eder - bu, sesin ortamdaki hızıdır. eğer kaynakbir dalga oluşturur, ardından profili ondan herhangi bir mesafede sinüzoid şeklinde kalır.
Yoğun bir ses dalgasında, resim farklıdır: sıkıştırma alanları (ses basıncı pozitiftir) ses hızını aşan bir hızda hareket eder ve seyreklik alanları - ses hızından daha düşük bir hızda hareket eder. verilen bir ortam. Sonuç olarak, profil çok değişiyor. Ön yüzeyler çok dik hale gelir ve dalganın arkaları daha yumuşak hale gelir. Bu tür güçlü şekil değişiklikleri, doğrusal olmayan etkidir. Dalga ne kadar güçlü olursa, genliği o kadar büyük olur, profil o kadar hızlı bozulur.
Uzun bir süre boyunca, akustik bir ışın kullanarak yüksek enerji yoğunluklarını uzun mesafelerde iletmenin mümkün olduğu düşünülüyordu. İlham verici bir örnek, yapıları yok edebilen, delikler açabilen, çok uzaklarda olabilen bir lazerdi. Işığın ses ile değiştirilmesi mümkün görünüyor. Ancak, ultrasonik bir silah yaratmayı imkansız kılan zorluklar var.
Herhangi bir mesafe için hedefe ulaşacak sesin yoğunluğu için bir sınır değeri olduğu ortaya çıktı. Mesafe ne kadar büyük olursa, yoğunluk o kadar düşük olur. Ve ortamdan geçerken akustik dalgaların olağan zayıflamasının bununla hiçbir ilgisi yoktur. Zayıflama, artan frekansla belirgin şekilde artar. Ancak, gerekli mesafelerde olağan (doğrusal) zayıflama ihmal edilebilecek şekilde seçilebilir. Suda 1 MHz frekanslı bir sinyal için bu 50 m'dir, yeterince büyük bir genliğe sahip ultrason için sadece 10 cm olabilir.
Uzayda bir yerde bir dalganın oluştuğunu düşünelim, yoğunluksesi öyledir ki, doğrusal olmayan etkiler davranışını önemli ölçüde etkiler. Salınım genliği, kaynaktan uzaklaştıkça azalacaktır. Bu ne kadar erken gerçekleşirse, ilk genlik p0 o kadar büyük olur. Çok yüksek değerlerde, dalganın azalma hızı, p0 başlangıç sinyalinin değerine bağlı değildir. Bu süreç dalga azalıncaya ve doğrusal olmayan etkiler durana kadar devam eder. Bundan sonra, doğrusal olmayan bir modda ayrılacaktır. Lineer akustik yasalarına göre daha fazla zayıflama meydana gelir, yani çok daha zayıftır ve ilk bozulmanın büyüklüğüne bağlı değildir.
Öyleyse ultrason birçok endüstride nasıl başarılı bir şekilde kullanılır: delinir, temizlenir, vb. Bu manipülasyonlarla emitöre olan mesafe küçüktür, dolayısıyla doğrusal olmayan zayıflamanın ivme kazanması için henüz zaman yoktur.
Şok dalgalarının engeller üzerinde neden bu kadar güçlü bir etkisi var? Patlamaların oldukça uzakta bulunan yapıları tahrip edebileceği bilinmektedir. Ancak şok dalgası doğrusal değildir, bu nedenle bozulma oranı daha zayıf dalgalarınkinden daha yüksek olmalıdır.
Sonuç şudur: Tek bir sinyal, periyodik bir sinyal gibi davranmaz. Pik değeri, kaynaktan uzaklaştıkça azalır. Dalganın genliğini artırarak (örneğin, patlamanın gücü), belirli bir mesafede (küçük olsa bile) engel üzerinde büyük basınçlar elde etmek ve böylece onu yok etmek mümkündür.
