Intenzitet zvuka, njegova snaga i tok zvučne energije

U romanu "tajna dva okeana" i u istoimenom avanturističkom filmu junaci su ultrazvučnim oružjem učinili nezamislive stvari: uništili su stijenu, ubili ogromnog kita, uništili brod svojih neprijatelja. Djelo je objavljeno još 30-ih godina XX vijeka, a tada se vjerovalo da će u bliskoj budućnosti postojanje moćnog ultrazvučnog oružja postati moguće - sve je u dostupnosti tehnologije. Danas nauka tvrdi da su ultrazvučni talasi kao oružje fantastični.

Druga stvar je upotreba ultrazvuka u miroljubive svrhe (ultrazvučno čišćenje, bušenje rupa, drobljenje kamena u bubregu itd..). Zatim ćemo shvatiti kako se ponašaju akustični talasi sa velikom amplitudom i intenzitetom zvuka.

Karakteristika moćnih zvukova

Postoji koncept nelinearnih efekata. To su efekti svojstveni samo dovoljno jakim talasima i ovise o njihovoj amplitudi. Postoji čak i poseban odjeljak u fizici koji proučava moćne valove — nelinearna akustika. Nekoliko primjera onoga što istražuje: grmljavina, podvodne eksplozije, seizmički talasi od zemljotresa. Pojavljuju se dva pitanja.

• Prvo: koja je snaga zvuka?
• Drugo: koji su nelinearni efekti, šta je kod njih neobično, gde se koriste?

Šta je akustični talas

Zvučni talas je područje kompresije i razrjeđivanja koje se divergira kroz medij. Pritisak se mijenja u bilo kojem njegovom dijelu. To je posljedica promjene omjera kompresije. Promjene postavljene na početni pritisak koji je bio u mediju nazivaju se zvučni pritisak.

Sound energy flow

Talas ima energiju koja deformiše medij (ako se zvuk širi u atmosferi, onda je to energija elastične deformacije vazduha). Osim toga, talas ima kinetičku energiju molekula. Smjer toka energije poklapa se sa smjerom u kojem se zvuk divergira. Protok energije koji prolazi kroz jednu lokaciju u jedinici vremena karakteriše intenzitet. A to se odnosi na područje okomito na kretanje talasa.

Intenzitet

I intenzitet i i akustični pritisak p zavise od svojstava medija. Nećemo se zadržavati na ovim zavisnostima, samo ćemo dati formulu intenziteta zvuka koji povezuje p, I i karakteristike srednje gustine (p) i brzine zvuka u mediju (c):

I = p_0²/2kom.

Ovdje str₀ da li je amplituda akustičkog pritiska.

Šta je jaka i slaba buka? Sila (N) se obično određuje nivoom zvučnog pritiska — vrednošću koja je povezana sa amplitudom talasa. Jedinica intenziteta zvuka — decibel (dB).

N = 20 × lg (p / p_n), dB.

Evo_p - ovo je granični pritisak, za koji se uobičajeno pretpostavlja da je 2 ×10^-5 Pa. Pritisak p_n približno odgovara intenzitetu I_n = 10^-12 W / m² veoma slab zvuk koji ljudsko uho još uvek može da percipira u vazduhu na frekvenciji od 1000 Hz. Zvuk je jači što je veći nivo akustičnog pritiska.

Volume

Subjektivne ideje o snazi zvuka povezane su sa konceptom glasnoće, tj. . vezani su za frekvencijski raspon koji percipira uho (vidi. tabela).

Ali ... šta je sa, je kada frekvencija leži izvan ovog raspona - u ultrazvučnom regionu? U ovoj situaciji (kada eksperimentišete sa ultrazvukom na frekvencijama reda 1 megaherca) lakše je uočiti nelinearne efekte u laboratoriji. Zaključujemo: ima smisla takve akustične valove nazvati moćnim, za koje postaju uočljivi nelinearni efekti.

Nelinearni efekti

Poznato je da se običan (linearni) talas, čiji je intenzitet zvuka mali, širi u medijumu bez promene njegovog oblika. U isto vrijeme, i regioni razrjeđivanja i regioni kompresije kreću se u prostoru istom brzinom — to je brzina zvuka u mediju. Ako izvor generiše talas, onda njegov profil ostaje u obliku sinusnog talasa na bilo kojoj udaljenosti od njega.

U intenzivnom zvučnom talasu, slika je drugačija: regioni kompresije (zvučni pritisak je pozitivan) kreću se brzinom većom od brzine zvuka, a regioni retkosti se kreću brzinom manjom od brzine zvuka u ovom mediju. Kao rezultat, profil se dosta mijenja. Prednje površine postaju veoma strme, a leđa talasa ravnija. Ovako jake promjene oblika su nelinearni efekat. Što je talas jači, to je veća njegova amplituda, profil je brže izobličen.

Dugo se smatralo mogućim prenos velike gustine energije na velike udaljenosti pomoću akustičnog snopa. Inspirativan primer bio je laser sposoban da uništi strukture, probija rupe, da bude na velikoj udaljenosti. Čini se da je moguća zamjena svjetlosti sa zvukom. Međutim, postoje poteškoće zbog kojih je nerealno stvoriti ultrazvučno oružje.

Ispada da za bilo koje rastojanje postoji granična vrijednost intenziteta zvuka koji će doći do cilja. Što je veća udaljenost, to je niži intenzitet. A uobičajeno slabljenje akustičnih talasa prilikom prolaska kroz medij nema nikakve veze s tim. Slabljenje se značajno povećava sa sve većom učestalošću. Međutim, moguće ga je izabrati tako da se uobičajeno (linearno) slabljenje na pravim udaljenostima može zanemariti. Za signal sa frekvencijom od 1 MHz u vodi iznosi 50 m, za ultrazvuk dovoljno velike amplitude može biti samo 10 cm.

Zamislite da se na nekom mjestu u svemiru stvara Val, čiji je intenzitet zvuka takav da će na njegovo ponašanje značajno utjecati nelinearni efekti. Amplituda oscilacija smanjivaće se kako se udaljavate od izvora. Ovo će se desiti što prije to je veća početna amplituda p₀. Pri vrlo visokim vrijednostima, brzina smanjenja talasa ne ovisi o veličini početnog signala p₀. Ovaj proces se dešava sve dok talas ne nestane i nelinearni efekti ne prestanu. Nakon toga će se razilaziti u nelinearnom režimu. Dalje slabljenje se dešava u skladu sa zakonima linearne akustike, tj. . . mnogo je slabiji i ne ovisi o veličini početnog poremećaja.

Kako se onda ultrazvuk uspješno koristi u mnogim industrijskim sektorima: izbušeni su, očišćeni itd. . Sa ovim manipulacijama, rastojanje od emitera je malo, tako da nelinearno slabljenje još nema vremena da dobije zamah.

Zašto udarni talasi toliko utiču na prepreke? Poznato je da eksplozije mogu uništiti strukture locirane prilično daleko. Ali udarni talas je nelinearan, tako da bi brzina slabljenja trebala biti veća od brzine slabijih talasa.

Suština je sljedeća: jedan signal se ne ponaša kao periodični. Njegova maksimalna vrijednost opada kako se udaljava od izvora. Povećanjem amplitude talasa (na primjer, sile eksplozije) moguće je postići velike pritiske na prepreku na datoj (čak i maloj) udaljenosti i time je uništiti.