Intenzivnost zvoka, njegova moč in pretok zvočne energije

V romanu Skrivnost dveh oceanov in istoimenskem pustolovskem filmu so junaki z ultrazvočnim orožjem počeli nepredstavljive stvari: uničili so skalo, ubili velikega kita, uničili ladjo svojih sovražnikov. Delo je bilo objavljeno v tridesetih letih 20. stoletja in takrat so verjeli, da bo v bližnji prihodnosti mogoč obstoj močnega ultrazvočnega orožja - gre le za razpoložljivost tehnologije. Danes znanost trdi, da so ultrazvočni valovi kot orožje fantazija.

Druga možnost je uporaba ultrazvoka v miroljubne namene (ultrazvočno čiščenje, vrtanje lukenj, drobljenje ledvičnih kamnov itd.).). Nato si bomo ogledali, kako se akustični valovi obnašajo pri velikih amplitudah in intenzivnosti zvoka.

Značilnost močnih zvokov

Obstaja pojem nelinearnih učinkov. To so učinki, ki so značilni za dovolj močne valove in so odvisni od njihove amplitude. Na področju fizike obstaja celo poseben oddelek, ki preučuje močne valove, nelinearno akustiko. Nekaj primerov, ki jih raziskuje: grmenje, podvodne eksplozije, seizmični valovi ob potresih. Postavljata se dve vprašanji.

• Prvič: Kakšna je moč zvoka?
• Drugi je: kaj so nelinearni učinki, kaj je pri njih tako nenavadnega in kje se uporabljajo??

Kaj je akustični val

Zvočni val je območje kompresije in dekompresije, ki se širi po mediju. V kateri koli točki v njem se tlak spremeni. To je posledica spremembe stopnje stiskanja. Spremembo, ki je naložena na začetni tlak, ki je bil v mediju, imenujemo zvočni tlak.

Pretok zvočne energije

Val ima energijo, ki deformira medij (če se zvok širi v ozračju, je to energija elastične deformacije zraka). Poleg tega ima val kinetično energijo molekul. Smer pretoka energije sovpada s smerjo širjenja zvoka. Pretok energije na enoto časa skozi enoto površine se imenuje intenzivnost. Govorimo o območju, ki je pravokotno na gibanje vala.

Intenzivnost

Intenzivnost I in akustični tlak p sta odvisna od lastnosti medija. S temi odvisnostmi se ne bomo ukvarjali, podali bomo le formulo za jakost zvoka, ki povezuje p, I in lastnosti medija - gostoto (ρ) in hitrost zvoka v mediju (c):

I = p_0²/2ρc.

Pri tem je p₀ - amplituda akustičnega tlaka.

Kaj je močan in šibek hrup? Sila (N) je običajno opredeljena kot raven zvočnega tlaka, količina, ki je povezana z amplitudo valovanja. Enota za jakost zvoka je decibel (dB).

N = 20×lg(p/p_п), dB.

Pri tem je p_п - je mejni tlak, ki je običajno nastavljen na 2×10^-5 Pa. Tlak p_п približno ustreza intenzivnosti I_п = 10^-12 W/m² zelo šibek zvok, ki ga človeško uho še vedno lahko zazna v zraku pri frekvenci 1.000 Hz. Močnejši kot je zvok, višja je raven akustičnega tlaka.

Glasnost

Subjektivne predstave o jakosti zvoka so povezane s pojmom glasnosti, t. е. so povezani z razponom frekvenc, ki jih lahko zazna uho (prim. miza).

А biti , kadar je frekvenca zunaj tega območja, v območju ultrazvoka? V takšnih razmerah (poskusi z ultrazvokom pri frekvencah reda 1 megaherca) je v laboratoriju lažje opazovati nelinearne učinke. Zaključujemo: smiselno je, da kot močne akustične valove imenujemo take akustične valove, pri katerih nelinearni učinki postanejo opazni.

Nelinearni učinki

Znano je, da se navadno (linearno) valovanje, katerega jakost je majhna, širi v mediju, ne da bi spremenilo svojo obliko. V tem primeru se območja redčenja in krčenja gibljejo v prostoru z enako hitrostjo, ki je hitrost zvoka v mediju. Če vir ustvarja valovanje, je njegov profil na katerikoli razdalji od njega v obliki sinusoide.

Pri intenzivnem zvočnem valu je slika drugačna: območje kompresije (zvočni tlak je pozitiven) potuje s hitrostjo, ki je večja od hitrosti zvoka, območje redčenja pa potuje s hitrostjo, ki je manjša od hitrosti zvoka v mediju. Zato se profil močno spremeni. Prednje površine postanejo zelo strme, zadnje strani valov pa bolj ravne. Tako močne spremembe oblike so nelinearni učinek. Čim močnejši je val, čim večja je njegova amplituda, tem hitreje se profil popači.

Dolgo je veljalo, da je mogoče z akustičnim žarkom prenašati visoko gostoto energije na velike razdalje. Navdihujoč primer je laser, ki lahko uničuje strukture, luknjuje luknje na dolge razdalje. Zdi se, da je zamenjava svetlobe z zvokom mogoča. Vendar obstajajo težave, zaradi katerih je izdelava ultrazvočnega orožja nerealna.

Zdi se, da je na vseh razdaljah moč zvoka, ki doseže cilj, omejena. Večja kot je razdalja, manjša je intenzivnost. Običajno dušenje akustičnih valov, ki potujejo skozi medij, s tem nima nobene zveze. Dušenje se z naraščajočo frekvenco izrazito povečuje. Lahko pa ga izberemo tako, da zanemarimo normalno (linearno) slabljenje na želenih razdaljah. Za 1 MHz signal v vodi je to 50 m, za ultrazvok z veliko amplitudo pa je to lahko le 10 cm.

Predstavljajmo si, da na nekem mestu v prostoru nastane val s tako intenzivnim zvokom, da na njegovo obnašanje bistveno vplivajo nelinearni učinki. Amplituda nihanja se bo zmanjševala z oddaljenostjo od vira. To se zgodi tem hitreje, čim večja je začetna amplituda p₀. Pri zelo visokih vrednostih je hitrost slabljenja neodvisna od vrednosti začetnega signala p₀. Takšen proces poteka, dokler valovanje ne oslabi in nelinearni učinki prenehajo. Nato se bo nelinearno razhajala. Nadaljnje slabljenje poteka po zakonih linearne akustike, t. е. je veliko šibkejša in neodvisna od velikosti začetne motnje.

Kako se ultrazvok uspešno uporablja v številnih panogah: pri vrtanju, čiščenju itd. д. Pri teh manipulacijah je razdalja od oddajnika kratka, zato nelinearno slabljenje še ni imelo časa pridobiti zagona.

Zakaj imajo udarni valovi tako močan učinek na ovire? Znano je, da so eksplozije uničile precej oddaljene objekte. Ker je udarni val nelinearen, mora biti stopnja dušenja večja kot pri šibkejših valovih.

Bistvo je naslednje: enkratni signal deluje drugače kot periodični. Njegova najvišja vrednost se zmanjšuje z oddaljenostjo od vira. S povečanjem amplitude valovanja (npr. sile eksplozije) je mogoče na določeni (tudi majhni) razdalji doseči velik pritisk na oviro in jo tako uničiti.