Në romanin "Sekreti i dy oqeaneve" dhe në filmin aventuresk me të njëjtin emër, heronjtë bënë gjëra të paimagjinueshme me armë ultrasonike: shkatërruan një shkëmb, vranë një balenë të madhe dhe shkatërruan anijen e tyre. armiqtë. Puna u botua në vitet '30 të shekullit XX, dhe më pas besohej se në të ardhmen e afërt do të bëhej e mundur ekzistenca e një arme të fuqishme tejzanor - ka të bëjë me disponueshmërinë e teknologjisë. Sot, shkenca pretendon se valët ultrasonike si armë janë fantastike.
Një tjetër gjë është përdorimi i ultrazërit për qëllime paqësore (pastrim me ultratinguj, hapje vrimash, thërrmim gurësh në veshka, etj.). Më pas, do të kuptojmë se si sillen valët akustike me amplitudë dhe intensitet të madh zëri.
Veçori e fuqishme e tingujve
Ekziston një koncept i efekteve jolineare. Këto janë efekte të veçanta vetëm sa duhetvalë të forta dhe në varësi të amplitudës së tyre. Në fizikë, ekziston madje një seksion i veçantë që studion valët e fuqishme - akustikën jolineare. Disa shembuj të asaj që ajo heton janë bubullimat, shpërthimet nënujore, valët sizmike nga tërmetet. Dy pyetje lindin.
- Së pari: cila është fuqia e zërit?
- E dyta: cilat janë efektet jolineare, çfarë është e pazakontë në to, ku përdoren?
Çfarë është një valë akustike
Një valë zanore është një pjesë e rrallimit të ngjeshjes që ndryshon në medium. Në cilindo nga vendet e tij, presioni ndryshon. Kjo është për shkak të një ndryshimi në raportin e kompresimit. Ndryshimet e mbivendosura në presionin fillestar që ishte në mjedis quhen presion i zërit.
Rrjedha e energjisë sonike
Një valë ka energji që deformon mediumin (nëse zëri përhapet në atmosferë, atëherë kjo është energjia e deformimit elastik të ajrit). Përveç kësaj, vala ka energjinë kinetike të molekulave. Drejtimi i rrjedhës së energjisë përkon me atë në të cilin tingulli ndryshon. Rrjedha e energjisë që kalon nëpër një njësi sipërfaqe për njësi të kohës karakterizon intensitetin. Dhe kjo i referohet zonës pingul me lëvizjen e valës.
Intensiteti
Si intensiteti I dhe presioni akustik p varen nga vetitë e mediumit. Ne nuk do të ndalemi në këto varësi, do të japim vetëm formulën e intensitetit të zërit që lidhet p, I dhe karakteristikat e mediumit - dendësia (ρ) dhe shpejtësia e zërit në medium (c):
I=p02/2ρc.
Këtup0 - amplituda e presionit akustik.
Çfarë është zhurma e fortë dhe e dobët? Forca (N) zakonisht përcaktohet nga niveli i presionit të zërit - një vlerë që lidhet me amplituda e valës. Njësia e intensitetit të zërit është decibel (dB).
N=20×lg (p/pp), dB.
Këtu pp është presioni i pragut i marrë kushtimisht i barabartë me 2×10-5 Pa. Presioni pp korrespondon afërsisht me intensitetin Ip=10-12 W/m2 është një tingull shumë i dobët që ende mund të perceptohet nga veshi i njeriut në ajër me një frekuencë prej 1000 Hz. Tingulli është më i fortë sa më i lartë të jetë niveli i presionit akustik.
Vëllimi
Idetë subjektive për forcën e zërit lidhen me konceptin e zërit, domethënë ato janë të lidhura me diapazonin e frekuencës të perceptuar nga veshi (shih tabelën).
Dhe po kur frekuenca qëndron jashtë këtij diapazoni - në fushën e ultrazërit? Është në këtë situatë (gjatë eksperimenteve me ultratinguj në frekuenca të rendit 1 megaherz) që është më e lehtë të vëzhgohen efektet jolineare në kushte laboratorike. Konkludojmë se ka kuptim të quhen valë të fuqishme akustike për të cilat efektet jolineare bëhen të dukshme.
Efektet jolineare
Dihet se një valë e zakonshme (lineare), intensiteti i zërit të së cilës është i ulët, përhapet në një medium pa ndryshuar formën e saj. Në këtë rast, të dy rajonet e rrallimit dhe të ngjeshjes lëvizin në hapësirë me të njëjtën shpejtësi - kjo është shpejtësia e zërit në medium. Nëse burimigjeneron një valë, atëherë profili i saj mbetet në formën e një sinusoidi në çdo distancë prej saj.
Në një valë intensive zanore, fotografia është e ndryshme: zonat e ngjeshjes (presioni i zërit është pozitiv) lëvizin me një shpejtësi që tejkalon shpejtësinë e zërit dhe zonat e rrallimit - me një shpejtësi më të vogël se shpejtësia e zërit në një medium të caktuar. Si rezultat, profili ndryshon shumë. Sipërfaqet e përparme bëhen shumë të pjerrëta dhe pjesa e pasme e valës bëhet më e butë. Ndryshime të tilla të forta të formës janë efekti jolinear. Sa më e fortë të jetë vala, aq më e madhe është amplituda e saj, aq më shpejt deformohet profili.
Për një kohë të gjatë u konsiderua e mundur transmetimi i densitetit të lartë të energjisë në distanca të gjata duke përdorur një rreze akustike. Një shembull frymëzues ishte një lazer i aftë të shkatërronte strukturat, të hapte vrima, të ishte në një distancë të madhe. Duket se zëvendësimi i dritës me zë është i mundur. Megjithatë, ka vështirësi që e bëjnë të pamundur krijimin e një arme tejzanor.
Rezulton se për çdo distancë ka një vlerë kufitare për intensitetin e zërit që do të arrijë objektivin. Sa më e madhe të jetë distanca, aq më i ulët është intensiteti. Dhe zbutja e zakonshme e valëve akustike kur kalon përmes mediumit nuk ka asnjë lidhje me të. Zbutja rritet ndjeshëm me rritjen e frekuencës. Megjithatë, mund të zgjidhet në mënyrë që zbutja e zakonshme (lineare) në distancat e kërkuara të mund të neglizhohet. Për një sinjal me një frekuencë prej 1 MHz në ujë, kjo është 50 m, për ultratinguj me një amplitudë mjaftueshëm të madhe, mund të jetë vetëm 10 cm.
Le të imagjinojmë se një valë krijohet në një vend në hapësirë, intensitetitingulli i të cilit është i tillë që efektet jolineare do të ndikojnë ndjeshëm në sjelljen e tij. Amplituda e lëkundjes do të ulet me distancën nga burimi. Kjo do të ndodhë sa më shpejt, aq më e madhe është amplituda fillestare p0. Në vlera shumë të larta, shkalla e zbërthimit të valës nuk varet nga vlera e sinjalit fillestar p0. Ky proces vazhdon derisa vala të zbehet dhe efektet jolineare të ndalen. Pas kësaj, ajo do të ndryshojë në një mënyrë jo-lineare. Zbutja e mëtejshme ndodh sipas ligjeve të akustikës lineare, d.m.th., është shumë më i dobët dhe nuk varet nga madhësia e shqetësimit fillestar.
Si përdoret atëherë ekografia me sukses në shumë industri: ato shpohen, pastrohen etj. Me këto manipulime, distanca nga emetuesi është e vogël, kështu që dobësimi jolinear nuk ka pasur ende kohë të fitojë vrull.
Pse valët goditëse kanë një efekt kaq të fortë mbi pengesat? Dihet se shpërthimet mund të shkatërrojnë struktura të vendosura mjaft larg. Por vala goditëse është jolineare, kështu që shkalla e zbërthimit duhet të jetë më e lartë se ajo e valëve më të dobëta.
Përfundimi është ky: një sinjal i vetëm nuk vepron si ai periodik. Vlera e saj maksimale zvogëlohet me distancën nga burimi. Duke rritur amplituda e valës (për shembull, forca e shpërthimit), është e mundur të arrihen presione të mëdha mbi pengesën në një distancë të caktuar (edhe pse të vogël) dhe në këtë mënyrë ta shkatërrojnë atë.
