Intensitatea sunetului, forța sa și fluxul de energie sonoră

În romanul Misterul celor două oceane și în filmul de aventură cu același nume, eroii au făcut lucruri inimaginabile cu arme cu ultrasunete: au distrus o stâncă, au ucis o balenă uriașă, au distrus nava dușmanilor lor. Lucrarea a fost publicată în anii 1930, iar la acea vreme se credea că în viitorul apropiat va fi posibilă existența unor arme ultrasonice puternice - totul ține de disponibilitatea tehnologiei. Astăzi, știința susține că undele ultrasonice ca armă sunt fantastice.

Un alt caz este utilizarea ultrasunetelor în scopuri pașnice (curățare cu ultrasunete, găurire, spargerea pietrelor la rinichi etc.).). În continuare, vom analiza modul în care se comportă undele acustice la amplitudini și intensități mari.

Particularitatea sunetelor puternice

Există un concept de efecte neliniare. Aceste efecte sunt specifice doar valurilor suficient de puternice și depind de amplitudinea lor. Există chiar și un domeniu special în fizică care se ocupă de undele puternice: acustica neliniară. Câteva exemple de ceea ce studiază: tunetele, exploziile subacvatice, undele seismice de la cutremure. Se ridică două întrebări.

• Unu: Care este forța sunetului?
• În al doilea rând: Care sunt efectele neliniare, ce este neobișnuit la ele, unde se aplică?

Ce este o undă acustică

O undă sonoră este formată din zone de compresie-decompresie care diverge în mediu. Oriunde merge, presiunea se schimbă. Acest lucru se datorează unei modificări a gradului de compresie. Schimbarea suprapusă presiunii inițiale care era în mediu se numește presiune acustică.

Fluxul de energie sonoră

Unda are o energie care deformează mediul (dacă sunetul se propagă în atmosferă, este vorba de energia de deformare elastică a aerului). În plus, unda are energia cinetică a moleculelor. Direcția în care curge energia coincide cu direcția în care se propagă sunetul. Fluxul de energie pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață descrie intensitatea. Și se referă la suprafața perpendiculară pe mișcarea valului.

Intensitate

Atât intensitatea I, cât și presiunea acustică p depind de proprietățile mediului. Nu ne vom opri asupra acestor dependențe, ci doar vom da o formulă pentru intensitatea sunetului, legând p, I și caracteristicile mediului - densitatea (ρ) și viteza sunetului în mediu (s):

I = p_0²/2ρc.

Aici p₀ - amplitudinea presiunii acustice.

Care este amplitudinea sunetului și care este slăbiciunea zgomotului? Forța (N) este de obicei definită ca nivel de presiune acustică, care este o valoare legată de amplitudinea undei. Unitatea de măsură a intensității sonore - decibel (dB).

N = 20×lg(p/p_п), dB.

Aici p_п - este presiunea de prag, considerată în mod convențional ca fiind de 2×10^-5 Pa. Presiunea p_п este aproximativ egală cu intensitatea I_п = 10^-12 W/m² De foarte puțin sunet pe care urechea umană îl mai poate percepe în aer la 1000 Hz. Cu cât sunetul este mai intens, cu atât nivelul presiunii acustice este mai ridicat.

Volum

Ideile subiective despre intensitatea sunetului sunt legate de conceptul de intensitate sonoră, și anume. е. sunt legate de gama de frecvențe care pot fi detectate de ureche (a se vedea. masă).

А cum să fii, atunci când frecvența este în afara acestui interval - în regiunea ultrasonică? Este în această situație (pentru experimentele cu ultrasunete la frecvențe de aproximativ 1 megahertz) este mai ușor de observat în condiții de laborator efectele neliniare. Să concluzionăm: este logic să numim unde acustice puternice acele unde acustice pentru care efectele neliniare devin apreciabile.

Efecte neliniare

Se știe că o undă normală (liniară) a cărei intensitate este mică se propagă într-un mediu fără a-și schimba forma. Atât regiunile de rarefiere, cât și cele de contracție se deplasează în spațiu cu aceeași viteză - aceasta este viteza sunetului în mediul respectiv. Dacă sursa generează o undă, atunci profilul acesteia rămâne sub forma unei unde sinusoidale la orice distanță de ea.

Într-o undă sonoră intensă, imaginea este diferită: regiunile de compresie (presiunea sonoră este pozitivă) se deplasează cu viteze mai mari decât viteza sunetului, iar regiunile de rarefiere se deplasează cu viteze mai mici decât viteza sunetului într-un mediu dat. Concluzia este că profilul se schimbă dramatic. Suprafețele frontale devin foarte abrupte, iar cele posterioare ale valurilor devin mai plate. O schimbare atât de puternică a formei este un efect neliniar. Cu cât valul este mai puternic, cu cât amplitudinea este mai mare, cu atât mai rapidă este distorsiunea profilului.

Mult timp s-a crezut că este posibil să se transmită densități mari de energie pe distanțe mari cu un fascicul acustic. Un exemplu inspirat a fost laserul, capabil să distrugă structuri, să facă găuri de la distanțe mari. Se pare că lumina poate fi înlocuită de sunet. Cu toate acestea, există dificultăți care fac ca arma cu ultrasunete să fie nerealistă.

Se pare că, pentru orice distanță, există o limită a intensității sunetului care va ajunge la țintă. Cu cât distanța este mai mare, cu atât intensitatea este mai mică. Iar amortizarea obișnuită a undelor acustice în timp ce se deplasează prin mediu nu are nimic de-a face cu asta. Atenuarea sunetului crește semnificativ odată cu creșterea frecvenței. Cu toate acestea, ea poate fi aleasă astfel încât atenuarea normală (liniară) la distanțele dorite să fie neglijată. Pentru un semnal de 1 MHz în apă este de 50 m, pentru un semnal ultrasonic de amplitudine mare poate fi de doar 10 cm.

Să presupunem că, într-un anumit punct din spațiu, se generează o undă cu o intensitate sonoră atât de mare încât comportamentul ei este afectat în mod semnificativ de efecte neliniare. Amplitudinea oscilației Amplitudinea traductorului ultrasonic va scădea odată cu distanța față de sursă. Acest lucru se va întâmpla cu atât mai repede cu cât amplitudinea inițială p₀. La amplitudini foarte mari, rata de dezintegrare este independentă de mărimea semnalului inițial p₀. Acest proces are loc până când valul se amortizează și efectele neliniare încetează. Acesta va devia apoi într-un mod neliniar. În continuare, decăderea urmează legile acusticii liniare, și anume. е. este mult mai slabă și independentă de mărimea perturbației inițiale.

Cum se utilizează cu succes ultrasunetele în multe industrii: foraj, curățare etc. д. Cu aceste manipulări, distanța de la emițător este scurtă, astfel încât atenuarea neliniară nu a avut încă timp să ia avânt.

De ce undele de șoc au un impact atât de mare asupra obstacolelor? Se știe că exploziile pot distruge structuri destul de îndepărtate. Și pentru că o undă de șoc este neliniară, rata de dezintegrare trebuie să fie mai mare decât în cazul undelor mai slabe.

Concluzia este următoarea: un singur semnal sonor nu funcționează la fel ca un semnal sonor periodic. Valoarea sa maximă scade odată cu distanța față de sursă. Prin creșterea amplitudinii undei (cum ar fi forța unei explozii), este posibil să se obțină, la o distanță dată (chiar și mică), presiuni mari asupra unui obstacol și astfel să se distrugă acesta.