Romaanis "Kahe ookeani saladus" ja samanimelises seiklusfilmis tegid kangelased ultrahelirelvadega mõeldamatuid asju: hävitasid kivi, tapsid tohutu vaala ja hävitasid oma laeva. vaenlased. Teos avaldati XX sajandi 30ndatel ja siis usuti, et lähitulevikus saab võimalikuks võimsa ultrahelirelva olemasolu - kõik on seotud tehnoloogia kättesaadavusega. Tänapäeval väidab teadus, et ultrahelilained kui relvad on fantastilised.
Teine asi on ultraheli kasutamine rahumeelsetel eesmärkidel (ultrahelipuhastus, aukude puurimine, neerukivide purustamine jne). Järgmisena mõistame, kuidas käituvad suure amplituudi ja heliintensiivsusega akustilised lained.
Võimas helifunktsioon
On olemas mittelineaarsete efektide kontseptsioon. Need on vaid piisav alt omapärased efektidtugevad lained ja sõltuv alt nende amplituudist. Füüsikas on isegi spetsiaalne sektsioon, mis uurib võimsaid laineid - mittelineaarne akustika. Mõned näited sellest, mida ta uurib, on äike, veealused plahvatused, maavärinate seismilised lained. Tekib kaks küsimust.
- Esiteks: mis on heli jõud?
- Teiseks: mis on mittelineaarsed efektid, mis on neis ebatavalist, kus neid kasutatakse?
Mis on akustiline laine
Helilaine on tihendus-haruldamise osa, mis erineb keskkonnas. Igas kohas rõhk muutub. See on tingitud tihendusastme muutumisest. Muutusi, mis kattusid keskkonnas olnud algrõhuga, nimetatakse helirõhuks.
Sonic energiavoog
Lainel on energiat, mis deformeerib keskkonda (kui heli levib atmosfääris, siis on see õhu elastse deformatsiooni energia). Lisaks on lainel molekulide kineetiline energia. Energia voolu suund langeb kokku sellega, milles heli lahkneb. Pindalaühikut läbiv energiavoog ajaühikus iseloomustab intensiivsust. Ja see viitab alale, mis on laine liikumisega risti.
Intensiivsus
Nii intensiivsus I kui ka akustiline rõhk p sõltuvad keskkonna omadustest. Me ei peatu neil sõltuvustel, anname ainult helitugevuse valemi, mis on seotud p, I ja kandja omadustega - tihedus (ρ) ja heli kiirus keskkonnas (c):
I=p02/2ρc.
Siinp0 - akustilise rõhu amplituud.
Mis on tugev ja nõrk müra? Jõu (N) määrab tavaliselt helirõhu tase – väärtus, mis on seotud laine amplituudiga. Helitugevuse ühik on detsibell (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Siin pp on rõhulävi, mis on tinglikult võrdne 2×10-5 Pa. Rõhk pp vastab ligikaudu intensiivsusele Ip=10-12 W/m2 on väga nõrk heli, mida inimkõrv siiski tajub õhus sagedusel 1000 Hz. Heli on seda tugevam, mida kõrgem on akustilise rõhu tase.
Volume
Subjektiivsed ideed heli tugevuse kohta on seotud valjuse mõistega, see tähendab, et need on seotud kõrva poolt tajutava sagedusvahemikuga (vt tabelit).
Ja mis saab siis, kui sagedus jääb sellest vahemikust välja – ultraheli valdkonnas? Just sellises olukorras (ultraheli katsete ajal sagedustel 1 megaherts) on laboritingimustes lihtsam jälgida mittelineaarseid mõjusid. Me järeldame, et on mõttekas nimetada võimsaid akustilisi laineid, mille puhul on märgatavad mittelineaarsed efektid.
Mittelineaarsed efektid
On teada, et tavaline (lineaarne) laine, mille helitugevus on madal, levib keskkonnas oma kuju muutmata. Sellisel juhul liiguvad nii haruldased kui ka tihenduspiirkonnad ruumis ühesuguse kiirusega – see on heli kiirus keskkonnas. Kui allikastekitab laine, siis jääb selle profiil sinusoidi kujule mis tahes kaugusel sellest.
Intensiivse helilaine korral on pilt erinev: kokkusurutud alad (helirõhk on positiivne) liiguvad kiirusega, mis ületab heli kiirust, ja haruldased alad - kiirusega, mis on väiksem kui heli kiirus antud meedium. Selle tulemusena muutub profiil palju. Esipinnad muutuvad väga järsuks ja laine tagaküljed muutuvad õrnemaks. Sellised tugevad kujumuutused on mittelineaarne efekt. Mida tugevam on laine, seda suurem on selle amplituud, seda kiiremini profiil moondub.
Pikka aega peeti võimalikuks suure energiatiheduse edastamist pikkadele vahemaadele, kasutades akustilist kiiret. Inspireeriv näide oli laser, mis on võimeline konstruktsioone hävitama, auke tegema, olles suurel kaugusel. Tundub, et valguse asendamine heliga on võimalik. Siiski on raskusi, mis muudavad ultrahelirelva loomise võimatuks.
Selgub, et mis tahes vahemaa korral on sihtmärgini jõudva heli intensiivsuse piirväärtus. Mida suurem on vahemaa, seda madalam on intensiivsus. Ja tavalisel akustiliste lainete sumbumisel meediumi läbimisel pole sellega midagi pistmist. Sumbumine suureneb sageduse suurenedes märgatav alt. Selle saab aga valida nii, et tavalist (lineaarset) sumbumist nõutavatel vahemaadel võib tähelepanuta jätta. Signaali sagedusega 1 MHz vees on see 50 m, piisav alt suure amplituudiga ultraheli puhul võib see olla vaid 10 cm.
Kujutame ette, et mingis kohas ruumis tekib laine, mille intensiivsusmille heli on selline, et mittelineaarsed efektid mõjutavad oluliselt selle käitumist. Võnkumise amplituud väheneb koos kaugusega allikast. See juhtub, mida varem, seda suurem on esialgne amplituud p0. Väga kõrgete väärtuste korral ei sõltu laine vaibumiskiirus algsignaali väärtusest p0. See protsess jätkub, kuni laine vaibub ja mittelineaarsed efektid peatuvad. Pärast seda lahkneb see mittelineaarses režiimis. Edasine sumbumine toimub vastav alt lineaarse akustika seadustele, st see on palju nõrgem ega sõltu esialgse häiringu suurusest.
Kuidas siis ultraheli eduk alt paljudes tööstusharudes kasutatakse: neid puuritakse, puhastatakse jne. Nende manipulatsioonide korral on kaugus emitterist väike, nii et mittelineaarne sumbumine pole veel jõudnud hoogu juurde saada.
Miks lööklainetel on takistustele nii tugev mõju? Teadaolev alt võivad plahvatused hävitada üsna kaugel asuvaid ehitisi. Kuid lööklaine on mittelineaarne, seega peab vaibumismäär olema suurem kui nõrgemate lainete puhul.
Põhimõte on järgmine: üksik signaal ei toimi nagu perioodiline. Selle tippväärtus väheneb koos kaugusega allikast. Suurendades laine amplituudi (näiteks plahvatuse tugevust) on võimalik saavutada etteantud (isegi kui väikesel) kaugusel takistusele suuri survesid ja seeläbi seda hävitada.
