Dalam novel "The Secret of Two Oceans" dan dalam film petualangan dengan judul yang sama, para pahlawan melakukan hal-hal yang tak terbayangkan dengan senjata ultrasonik: mereka menghancurkan sebuah batu, membunuh seekor paus besar, dan menghancurkan kapal mereka. musuh. Karya itu diterbitkan kembali pada 30-an abad XX, dan kemudian diyakini bahwa dalam waktu dekat keberadaan senjata ultrasonik yang kuat akan menjadi mungkin - ini semua tentang ketersediaan teknologi. Saat ini, sains mengklaim bahwa gelombang ultrasonik sebagai senjata adalah hal yang fantastis.
Hal lain adalah penggunaan ultrasound untuk tujuan damai (pembersihan ultrasonik, pengeboran lubang, penghancuran batu ginjal, dll.). Selanjutnya, kita akan memahami bagaimana gelombang akustik dengan amplitudo dan intensitas suara yang besar berperilaku.
Fitur suara yang kuat
Ada konsep efek non-linier. Ini adalah efek yang cukup anehgelombang yang kuat dan tergantung pada amplitudonya. Dalam fisika, bahkan ada bagian khusus yang mempelajari gelombang kuat - akustik nonlinier. Beberapa contoh dari apa yang dia selidiki adalah guntur, ledakan bawah air, gelombang seismik dari gempa bumi. Dua pertanyaan muncul.
- Pertama: apa kekuatan suara?
- Kedua: apa itu efek non-linier, apa yang tidak biasa tentangnya, di mana mereka digunakan?
Apa itu gelombang akustik
Gelombang suara adalah bagian dari refraksi-kompresi yang divergen dalam medium. Di salah satu tempatnya, tekanan berubah. Ini karena perubahan rasio kompresi. Perubahan yang ditumpangkan pada tekanan awal yang ada di lingkungan disebut tekanan suara.
Aliran energi sonik
Gelombang memiliki energi yang mengubah bentuk medium (jika suara merambat di atmosfer, maka ini adalah energi deformasi elastis udara). Selain itu, gelombang memiliki energi kinetik molekul. Arah aliran energi bertepatan dengan arah divergensi suara. Aliran energi yang melewati suatu satuan luas per satuan waktu mencirikan intensitas. Dan ini mengacu pada area yang tegak lurus terhadap pergerakan gelombang.
Intensitas
Baik intensitas I dan tekanan akustik p bergantung pada sifat-sifat medium. Kami tidak akan membahas ketergantungan ini, kami hanya akan memberikan rumus intensitas suara yang berkaitan dengan p, I dan karakteristik medium - kerapatan (ρ) dan kecepatan suara dalam medium (c):
I=p02/2ρc.
Di sinip0 - amplitudo tekanan akustik.
Apa itu noise kuat dan lemah? Gaya (N) biasanya ditentukan oleh tingkat tekanan suara - nilai yang dikaitkan dengan amplitudo gelombang. Satuan intensitas suara adalah desibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Di sini pp adalah tekanan ambang yang diambil secara kondisional sama dengan 2×10-5 Pa. Tekanan pp kira-kira sesuai dengan intensitas Ip=10-12 W/m 2 adalah suara yang sangat redup yang masih dapat dirasakan oleh telinga manusia di udara pada frekuensi 1000 Hz. Suara semakin kuat semakin tinggi tingkat tekanan akustik.
Volume
Ide subjektif tentang kekuatan suara dikaitkan dengan konsep kenyaringan, yaitu, terkait dengan rentang frekuensi yang dirasakan oleh telinga (lihat tabel).
Dan bagaimana bila frekuensi berada di luar kisaran ini - di bidang ultrasound? Dalam situasi ini (selama percobaan dengan ultrasound pada frekuensi orde 1 megahertz) lebih mudah untuk mengamati efek nonlinier dalam kondisi laboratorium. Kami menyimpulkan bahwa masuk akal untuk menyebut gelombang akustik kuat yang efek nonliniernya menjadi nyata.
Efek nonlinier
Telah diketahui bahwa gelombang (linier) biasa, yang intensitas bunyinya rendah, merambat dalam suatu medium tanpa mengubah bentuknya. Dalam hal ini, baik daerah penghalusan maupun kompresi bergerak di ruang dengan kecepatan yang sama - ini adalah kecepatan suara dalam medium. Jika sumbernyamenghasilkan gelombang, maka profilnya tetap dalam bentuk sinusoidal pada jarak berapa pun darinya.
Dalam gelombang suara yang intens, gambarannya berbeda: area kompresi (tekanan suara positif) bergerak dengan kecepatan melebihi kecepatan suara, dan area penghalusan - dengan kecepatan kurang dari kecepatan suara di suatu media yang diberikan. Akibatnya, profilnya banyak berubah. Permukaan depan menjadi sangat curam, dan bagian belakang gelombang menjadi lebih lembut. Perubahan bentuk yang kuat seperti itu adalah efek non-linier. Semakin kuat gelombang, semakin besar amplitudonya, semakin cepat profil terdistorsi.
Untuk waktu yang lama dianggap mungkin untuk mentransmisikan densitas energi tinggi jarak jauh menggunakan berkas akustik. Contoh yang menginspirasi adalah laser yang mampu menghancurkan struktur, melubangi, berada pada jarak yang sangat jauh. Tampaknya penggantian cahaya dengan suara dimungkinkan. Namun, ada kesulitan yang membuat senjata ultrasonik tidak bisa dibuat.
Ternyata untuk jarak berapa pun ada nilai batas intensitas suara yang akan mencapai target. Semakin jauh jaraknya, semakin rendah intensitasnya. Dan redaman biasa gelombang akustik ketika melewati medium tidak ada hubungannya dengan itu. Atenuasi meningkat tajam dengan meningkatnya frekuensi. Namun, dapat dipilih sehingga redaman biasa (linier) pada jarak yang diperlukan dapat diabaikan. Untuk sinyal dengan frekuensi 1 MHz dalam air, ini adalah 50 m, untuk ultrasound dengan amplitudo yang cukup besar, hanya 10 cm.
Mari kita bayangkan bahwa gelombang dihasilkan di suatu tempat di ruang angkasa, intensitasnyasuara yang sedemikian rupa sehingga efek nonlinier akan secara signifikan mempengaruhi perilakunya. Amplitudo osilasi akan berkurang dengan jarak dari sumber. Ini akan terjadi semakin cepat, semakin besar amplitudo awal p0. Pada nilai yang sangat tinggi, laju peluruhan gelombang tidak bergantung pada nilai sinyal awal p0. Proses ini berlanjut sampai gelombang meluruh dan efek nonlinier berhenti. Setelah itu, itu akan menyimpang dalam mode non-linear. Atenuasi lebih lanjut terjadi sesuai dengan hukum akustik linier, yaitu jauh lebih lemah dan tidak tergantung pada besarnya gangguan awal.
Bagaimana ultrasound berhasil digunakan di banyak industri: mereka dibor, dibersihkan, dll. Dengan manipulasi ini, jarak dari emitor kecil, sehingga redaman nonlinier belum sempat mendapatkan momentum.
Mengapa gelombang kejut memiliki efek yang begitu kuat pada rintangan? Diketahui bahwa ledakan dapat menghancurkan struktur yang terletak cukup jauh. Tapi gelombang kejutnya non-linier, jadi tingkat peluruhannya harus lebih tinggi daripada gelombang yang lebih lemah.
Intinya adalah ini: satu sinyal tidak bertindak seperti sinyal periodik. Nilai puncaknya menurun dengan jarak dari sumber. Dengan meningkatkan amplitudo gelombang (misalnya, kekuatan ledakan), dimungkinkan untuk mencapai tekanan besar pada penghalang pada jarak tertentu (bahkan jika kecil) dan dengan demikian menghancurkannya.
