Natężenie dźwięku, jego moc i przepływ energii dźwiękowej

W powieści "Tajemnica dwóch oceanów" i w tytułowym filmie przygodowym bohaterowie dokonywali niewyobrażalnych rzeczy za pomocą broni ultradźwiękowej: zniszczyli skałę, zabili ogromnego wieloryba, zniszczyli statki swoich wrogów. Praca została opublikowana jeszcze w latach 30. XX wieku i wówczas sądzono, że w niedalekiej przyszłości istnienie potężnej broni ultradźwiękowej będzie możliwe - wszystko zależało od dostępności technologii. Dziś nauka twierdzi, że fale ultradźwiękowe jako broń są fantastyczne.

Inna sprawa to wykorzystywanie ultradźwięków do celów pokojowych (mycie ultradźwiękami, wiercenie otworów, kruszenie kamieni nerkowych itp).). Następnie zrozumiemy, jak zachowują się fale akustyczne przy dużych amplitudach i natężeniach dźwięku.

Osobliwość potężnych dźwięków

Istnieje pojęcie efektów nieliniowych. Są to efekty, które są unikalne dla fal, które są wystarczająco silne i zależą od ich amplitudy. Istnieje nawet specjalna gałąź fizyki, która bada potężne fale: nieliniowa akustyka. Kilka przykładów tego, co bada: grzmoty, podwodne wybuchy, fale sejsmiczne z trzęsień ziemi. Pojawiają się dwa pytania.

• Po pierwsze: Jaka jest moc dźwięku?
• Po drugie: jakie są efekty nieliniowe, co jest w nich niezwykłego, gdzie mają zastosowanie?

Co to jest fala akustyczna?

Fala dźwiękowa to fala sprężeniowo-dekompresyjna, która rozchodzi się w ośrodku. Ciśnienie zmienia się wszędzie w ośrodku. Wynika to ze zmiany stopnia kompresji. Zmiana ta nakłada się na ciśnienie początkowe, które było w ośrodku i nazywana jest ciśnieniem akustycznym.

Przepływ energii dźwiękowej

Fala ma energię, która deformuje ośrodek (jeśli dźwięk rozchodzi się w atmosferze, to jest to energia odkształcenia sprężystego powietrza). Dodatkowo fala posiada energię kinetyczną cząsteczek. Kierunek, w którym płynie energia, pokrywa się z kierunkiem, w którym rozchodzi się dźwięk. Strumień energii w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni reprezentuje intensywność. I jest to obszar prostopadły do ruchu fali.

Intensywność pomocy

Zarówno natężenie I jak i ciśnienie akustyczne p zależą od właściwości ośrodka. Nie będziemy się rozwodzić nad tymi zależnościami, podamy tylko wzór na natężenie dźwięku, łączący p, I oraz cechy ośrodka - gęstość (ρ) i prędkość dźwięku w ośrodku (c):

I = p_0²/2ρc.

Tutaj p₀ - amplituda ciśnienia akustycznego.

Czym jest silny i słaby hałas? Siła (N) jest powszechnie definiowana jako poziom ciśnienia akustycznego, wielkość, która jest związana z amplitudą fali. Jednostką natężenia dźwięku jest decybel (dB).

N = 20×lg(p/p_п), dB.

Tutaj p_п - to ciśnienie progowe, przyjęte jako 2×10^-5 Pa. Ciśnienie p_п jest w przybliżeniu równa natężeniu I_п = 10^-12 W/m² to najsłabszy dźwięk, który ludzkie ucho może jeszcze odebrać w powietrzu o częstotliwości 1000 Hz. Im silniejszy dźwięk, tym wyższy poziom ciśnienia akustycznego.

Tom

Subiektywne wyobrażenia o sile dźwięku związane są z pojęciem głośności, tj. е. związane są z zakresem częstotliwości odczuwalnych dla ucha (por. tabela).

А być, gdy częstotliwość leży poza tym zakresem - w obszarze ultradźwiękowym? Właśnie w takiej sytuacji (eksperymenty z ultradźwiękami o częstotliwościach rzędu 1 megaherca) łatwiej jest obserwować w laboratorium efekty nieliniowe. Podsumujmy: sensownie jest nazywać mocnymi takie fale akustyczne, dla których efekty nieliniowe stają się odczuwalne.

Efekty nieliniowe

Wiadomo, że fala zwykła (liniowa), o małym natężeniu dźwięku, rozchodzi się w ośrodku nie zmieniając swojej postaci. Oba rejony rarefakcji i kompresji poruszają się w przestrzeni z tą samą prędkością, która jest prędkością dźwięku w ośrodku. Jeśli źródło generuje falę, to jej profil pozostaje sinusoidalny w każdej odległości od niego.

W intensywnej fali dźwiękowej obraz jest inny: obszar kompresji (ciśnienie akustyczne jest dodatnie) porusza się z prędkością większą niż prędkość dźwięku, a obszar rarefakcji porusza się z prędkością mniejszą niż prędkość dźwięku w ośrodku. W związku z tym profil zmienia się diametralnie. Powierzchnie wiodące stają się bardzo strome, a grzbiety fali stają się bardziej płaskie. Tak silna zmiana kształtu jest efektem nieliniowym. Im silniejsza fala, im większa amplituda, tym szybciej profil ulega zniekształceniu.

Przez długi czas uważano, że możliwe jest przesyłanie dużych gęstości energii na duże odległości za pomocą wiązki akustycznej. Inspirującym przykładem był laser, zdolny do niszczenia struktur, przebijania otworów na wielkie odległości. Wydaje się, że można zastąpić światło dźwiękiem. Istnieją jednak trudności, które sprawiają, że zbudowanie broni ultradźwiękowej jest nierealne.

Okazuje się, że w każdej odległości istnieje granica natężenia dźwięku, który dotrze do celu. Im większa odległość, tym mniejsza intensywność. A normalne tłumienie fal akustycznych podczas ich przemieszczania się przez ośrodek nie ma z tym nic wspólnego. Tłumienie wzrasta wyraźnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Można jednak dobrać ją tak, aby normalne (liniowe) tłumienie na pożądanych odległościach było pomijalne. Dla sygnału 1 MHz w wodzie jest to 50 m, dla ultradźwięków o odpowiednio dużej amplitudzie może to być nawet 10 cm.

Załóżmy, że w pewnym punkcie przestrzeni powstaje fala o takim natężeniu dźwięku, że na jej zachowanie istotny wpływ mają efekty nieliniowe. Amplituda oscylacji będzie się zmniejszać wraz z odległością od źródła. Nastąpi to tym szybciej, im większa będzie jego początkowa amplituda p₀. Przy bardzo dużych wartościach szybkość tłumienia jest niezależna od wartości sygnału początkowego p₀. Dzieje się tak do momentu, gdy fala ulegnie stłumieniu i ustaną efekty nieliniowe. Wtedy będzie rozbieżna w sposób nieliniowy. Dalsze tłumienie wynika z praw akustyki liniowej, tzn. е. jest znacznie słabszy i niezależny od wielkości perturbacji początkowej.

Jak zatem ultradźwięki są z powodzeniem stosowane w wielu sektorach przemysłu: w wierceniu, czyszczeniu itp. д. W tych manipulacjach odległość od nadajnika jest niewielka, więc tłumienie nieliniowe nie zdążyło jeszcze nabrać rozpędu.

Dlaczego więc fale uderzeniowe mają tak silny wpływ na przeszkody? Eksplozje są znane z niszczenia struktur znajdujących się dość daleko. A ponieważ fala uderzeniowa jest nieliniowa, więc współczynnik tłumienia musi być większy niż dla słabszych fal.

Wniosek jest taki: pojedynczy sygnał działa inaczej niż okresowy. Jego wartość szczytowa maleje w miarę oddalania się od źródła. Zwiększając amplitudę fali (np. siłę podmuchu), można uzyskać duże naciski na przeszkodę w danej (nawet niewielkiej) odległości i w ten sposób ją zniszczyć.