Интензитетът на звука, неговата сила и потокът на звуковата енергия

В романа "Тайната на двата океана" и в едноименния приключенски филм героите правят невъобразими неща с ултразвукови оръжия: разрушават скала, убиват огромен кит, унищожават кораба на враговете си. Работата е публикувана през тридесетте години на XX век, а след това се смята, че в близко бъдеще съществуването на мощни ултразвукови оръжия ще бъде възможно - това е просто за наличието на технология. Днес науката твърди, че ултразвуковите вълни като оръжие са фантазия.

Друго нещо е използването на ултразвук за мирни цели (ултразвуково почистване, пробиване на дупки, трошене на камъни в бъбреците и т.н.).). След това ще разгледаме как се държат акустичните вълни с големи амплитуди и интензитет.

Особеност на мощните звуци

Съществува концепция за нелинейни ефекти. Това са ефекти, които се проявяват само при достатъчно силни вълни, за да зависят от тяхната амплитуда. Във физиката дори има специален раздел, който изучава силните вълни - нелинейна акустика. Някои примери за това, което изследва, са гръмотевици, подводни експлозии, сеизмични вълни от земетресения. Възникват два въпроса.

• Първо: Каква е силата на звука?
• Второ: какви са нелинейните ефекти, какво е необичайното в тях, къде се прилагат??

Какво е акустична вълна

Звуковата вълна е зона на компресия-декомпресия, която се разпространява в среда. Във всеки момент има промяна в налягането. Това се дължи на промяна в степента на компресия. Промяната, наложена върху първоначалното налягане, което е било в средата, се нарича звуково налягане.

Потокът на звуковата енергия

Вълната има енергия, която деформира средата (ако звукът се разпространява в атмосферата, това е енергията на еластичната деформация на въздуха). Освен това вълната има кинетичната енергия на молекулите. Посоката, в която тече енергията, е същата като посоката, в която се разпространява звукът. Потокът енергия за единица време през единица площ се нарича интензивност. И това е площта, перпендикулярна на движението на вълната.

Интензивност

Както интензитетът I, така и акустичното налягане p зависят от свойствата на средата. Няма да се спираме на тези зависимости, а само ще дадем формула за интензивността на звука, която свързва p, I и характеристиките на средата - плътност (ρ) и скорост на звука в средата (c):

I = p_0²/2ρc.

Тук p₀ - амплитуда на акустичното налягане.

Какво е силен и слаб шум? Силата (N) обикновено се определя от нивото на звуковото налягане - величина, която е свързана с амплитудата на вълната. Единицата за интензивност на звука е децибел (dB).

N = 20×lg(p/p_п), dB.

Тук p_п - е праговото налягане, което се приема за 2×10^-5 Па. Налягане p_п съответства приблизително на интензитет I_п = 10^-12 W/m² на много слаб звук, който все още може да се възприеме от човешкото ухо във въздуха при 1000 Hz. Колкото по-силен е звукът, толкова по-високо е нивото на акустичното налягане.

Обем

Субективните представи за силата на звука са свързани с понятието за сила на звука, т.е. е. са свързани с диапазона на честотите, които могат да бъдат засечени от ухото (вж. маса).

А как да бъдеш, Когато честотата е извън този диапазон - в областта на ултразвука? Именно в тази ситуация (експерименти с ултразвук с честота от порядъка на 1 мегахерц) нелинейните ефекти са по-лесни за наблюдение в лабораторията. Нека заключим: има смисъл да наричаме такива акустични вълни, за които нелинейните ефекти стават забележими.

нелинейни ефекти

Известно е, че обикновените (линейни) вълни с малък интензитет на звука преминават през среда, без да променят формата си. В този случай двете области на разреждане и свиване се движат в пространството с една и съща скорост, която е скоростта на звука в средата. Ако източникът генерира вълна, нейният профил остава под формата на синусоида на всяко разстояние от него.

При интензивна звукова вълна картината е различна: областите на компресия (звуковото налягане е положително) се движат със скорост, по-голяма от скоростта на звука, а областите на разреждане се движат със скорост, по-малка от скоростта на звука в средата. В крайна сметка профилът се променя драстично. Предните повърхности стават много стръмни, а задните - по-плоски. Такива големи промени във формата са нелинейният ефект. Колкото по-силна е вълната, колкото по-голяма е амплитудата, толкова по-бързо се изкривява профилът.

Дълго време се смяташе, че е възможно да се предаде висока плътност на енергията на големи разстояния чрез акустичен лъч. Вдъхновяващ пример е лазерът, който може да разрушава структури, да пробива дупки на големи разстояния. Изглежда, че заместването на светлината със звук е възможно. Съществуват обаче трудности, които правят ултразвуковите оръжия нереалистични.

Оказва се, че за всяко разстояние има ограничение за интензивността на звука, който ще достигне целта. Колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-малък е интензитетът. И нормалното затихване на акустичните вълни при преминаването им през среда няма нищо общо с това. Затихването нараства значително с увеличаване на честотата. Тя обаче може да бъде избрана по такъв начин, че нормалното (линейно) затихване на желаните разстояния да бъде пренебрегнато. За сигнал с честота 1 MHz във вода тя е 50 m, а за ултразвуков сигнал с достатъчно голяма амплитуда може да е едва 10 cm.

Нека си представим, че на някое място в пространството се генерира вълна, чиято интензивност е такава, че поведението ѝ ще бъде значително повлияно от нелинейни ефекти. Амплитуда на вибрациите ще намалява с разстоянието от източника. Това се случва толкова по-бързо, колкото по-голяма е началната амплитуда p₀. При много високи стойности на този параметър скоростта на затихване не зависи от стойността на началния сигнал p₀. Този процес ще продължи, докато вълната се разпадне и нелинейните ефекти спрат. След това тя ще се разпадне нелинейно. По-нататъшното затихване ще следва законите на линейната акустика, т.е. е. е много по-слаба и не зависи от големината на първоначалното смущение.

как ултразвукът се използва успешно в много индустрии: пробиване, почистване и др. д. При тези манипулации разстоянието до предавателя е малко, така че нелинейното затихване все още не е имало време да набере скорост.

Защо ударните вълни имат толкова силно въздействие върху препятствие?? Известно е, че експлозиите могат да разрушават структури на доста голямо разстояние. И тъй като ударната вълна е нелинейна, тя трябва да има по-висока степен на затихване от по-слаба вълна.

Става дума за следното: един сигнал действа различно от периодичен сигнал. Пиковата му стойност намалява с разстоянието от източника. Чрез увеличаване на амплитудата на вълната (напр. силата на взрива) е възможно да се постигне голям натиск върху препятствието на дадено (дори малко) разстояние и по този начин то да бъде унищожено.