A hang intenzitása, erőssége és a hangenergia áramlása

A "két óceán titka" című regényben és az azonos nevű kalandfilmben a hősök elképzelhetetlen dolgokat tettek ultrahangos fegyverekkel: elpusztítottak egy sziklát, megöltek egy hatalmas bálnát, elpusztították ellenségeik hajóját. Század 30-as éveiben jelent meg, majd azt hitték, hogy a közeljövőben lehetővé válik egy erős ultrahangos Fegyver létezése - mindez a technológia rendelkezésre állásáról szól. Ma a tudomány azt állítja, hogy az ultrahangos hullámok fegyverként fantasztikusak.

Egy másik dolog az ultrahang használata békés célokra (ultrahangos tisztítás, lyukak fúrása, vesekövek zúzása stb..). Ezután kitaláljuk, hogyan viselkednek az akusztikus hullámok nagy amplitúdóval és hangintenzitással.

Az erőteljes hangok jellemzője

Van egy nemlineáris hatás fogalma. Ezek csak a kellően erős hullámokra jellemző hatások, amelyek amplitúdójuktól függenek. Van még egy speciális rész a fizikában, amely erőteljes hullámokat — nemlineáris akusztikát-tanulmányoz. Néhány példa arra, amit feltár: mennydörgés, víz alatti robbanások, földrengések szeizmikus hullámai. Két kérdés merül fel.

• Az első: mi a hang ereje?
• Másodszor: melyek a nemlineáris hatások, mi szokatlan róluk, hol használják őket?

Mi az akusztikus hullám

A hanghullám egy tömörítés-ritkítás terület, amely eltér a közegen keresztül. A nyomás bármely részében megváltozik. Ennek oka a tömörítési arány változása. A közegben lévő kezdeti nyomásra helyezett változásokat hangnyomásnak nevezzük.

Hang energiaáramlás

A hullám energiája deformálja a közeget (ha a hang a légkörben terjed, akkor ez a levegő rugalmas deformációjának energiája). Ezenkívül a hullám a molekulák kinetikus energiájával rendelkezik. Az energiaáramlás iránya egybeesik a hang eltérésének irányával. Az időegységenként egyetlen helyszínen áthaladó energiaáramlás jellemzi az intenzitást. Ez pedig a hullám mozgására merőleges területre vonatkozik.

Intenzitás

Mind az I intenzitás, mind a P akusztikus nyomás a közeg tulajdonságaitól függ. Nem fogunk lakni ezeken a függőségeken, csak a hang intenzitására adunk képletet, összekapcsolva a p, I és a közepes sűrűségű (p) és a hangsebesség jellemzőit a közegben (c):

I = p_0²/2db.

Itt p₀ az akusztikus nyomás amplitúdója.

Mi az erős és gyenge zaj? Az erőt (N) általában a hangnyomásszint határozza meg — a hullám amplitúdójával társított érték. A hang intenzitásának egysége-decibel (dB).

N = 20 ons(o/o)_n), dB.

Itt p_p a küszöbnyomás, amelyet hagyományosan feltételezünk 2 6db 10^-5 Pa. A nyomás p_n körülbelül megfelel az I intenzitásnak_n = 10^-12 F / m2 nagyon gyenge hang, amelyet az emberi fül még mindig érzékel a levegőben 1000 Hz frekvencián. A hang annál erősebb, minél magasabb az akusztikus nyomásszint.

Kötet

A hang erejével kapcsolatos szubjektív elképzelések a hangosság fogalmához kapcsolódnak,. azaz. a fül által érzékelt frekvenciatartományhoz vannak kötve (lásd. asztal).

És mit kell, tegye meg, ha a frekvencia ezen a tartományon kívül esik-az ultrahang területén? Ebben a helyzetben (amikor ultrahanggal kísérleteznek 1 megahertz nagyságrendű frekvenciákon) könnyebb megfigyelni a nemlineáris hatásokat a laboratóriumban. Arra a következtetésre jutunk, hogy van értelme az ilyen akusztikus hullámokat erőteljesnek nevezni, amelyeknél a nemlineáris hatások észrevehetővé válnak.

Nemlineáris hatások

Ismeretes, hogy egy közönséges (lineáris) hullám, amelynek hangintenzitása kicsi, terjed a közegben anélkül, hogy megváltoztatná alakját. Ugyanakkor mind a ritkítási régiók, mind a tömörítési régiók ugyanolyan sebességgel mozognak az űrben — ez a hangsebesség a közegben. Ha a forrás hullámot generál, akkor profilja szinuszhullám formájában marad, Bármilyen távolságra tőle.

Intenzív hanghullám esetén a kép más: a tömörítési régiók (a hangnyomás pozitív) a hangsebességet meghaladó sebességgel mozognak, a ritkítási régiók pedig a hangsebességnél alacsonyabb sebességgel mozognak ebben a közegben. Ennek eredményeként a profil sokat változik. Az elülső felületek nagyon meredekekké válnak, a hullám hátulja pedig laposabbá válik. Az ilyen erős alakváltozások nemlineáris hatásúak. Minél erősebb a hullám, annál nagyobb az amplitúdója, annál gyorsabban torzul a profil.

Hosszú ideig lehetségesnek tartották a nagy energiasűrűségek nagy távolságokon történő továbbítását akusztikus sugár segítségével. Inspiráló példa volt egy lézer, amely képes megsemmisíteni a szerkezeteket, lyukakat lyukasztani, nagy távolságra lenni. Úgy tűnik, hogy a fény cseréje hanggal lehetséges. Vannak azonban nehézségek, amelyek miatt irreális az ultrahangos fegyver létrehozása.

Kiderül, hogy Bármilyen távolságra van a hang intenzitásának határértéke, amely eléri a célt. Minél nagyobb a távolság, annál alacsonyabb az intenzitás. Az akusztikus hullámok szokásos csillapítása a közegen való áthaladáskor semmi köze ehhez. A csillapítás jelentősen növekszik a frekvencia növekedésével. Lehetséges azonban úgy választani, hogy a szokásos (lineáris) csillapítás a megfelelő távolságokon elhanyagolható legyen. A vízben 1 MHz frekvenciájú jel esetén 50 m, kellően nagy amplitúdójú ultrahang esetén akár 10 cm is lehet.

Képzelje el, hogy az űrben valamilyen helyen hullám keletkezik, amelynek hangintenzitása olyan, hogy viselkedését jelentősen befolyásolják a nemlineáris hatások. Az oszcillációk amplitúdója csökken, amikor eltávolodik a forrástól. Ez minél hamarabb megtörténik, annál nagyobb a P kezdeti amplitúdója₀. Nagyon magas értékeknél a hullámcsökkenés mértéke nem függ a kezdeti P jel nagyságától₀. Ez a folyamat addig tart, amíg a hullám elhalványul, és a nemlineáris hatások megállnak. Ezt követően nem lineáris módban tér el. További csillapítás a lineáris akusztika törvényei szerint történik,. azaz. sokkal gyengébb, és nem függ a kezdeti zavar nagyságától.

Hogyan használják sikeresen az ultrahangot számos ipari ágazatban: fúrják, tisztítják stb. . Ezekkel a manipulációkkal az emittertől való távolság kicsi, így a nemlineáris csillapításnak még nincs ideje lendületet szerezni.

Miért befolyásolják a lökéshullámok annyira az akadályokat? Ismeretes, hogy a robbanások elpusztíthatják a meglehetősen messze található struktúrákat. De a lökéshullám nemlineáris, ezért a csillapítási sebességnek magasabbnak kell lennie, mint a gyengébb hullámoké.

A lényeg a következő: egyetlen jel nem úgy működik, mint egy periodikus. Csúcsértéke csökken, Amikor távolodik a forrástól. A hullám amplitúdójának (például a robbanás erejének) növelésével nagy nyomást lehet elérni az akadályon egy adott (még kis) távolságon, ezáltal megsemmisítve azt.