Intenzita zvuku, jeho sila a tok zvukovej energie

V románe "tajomstvo dvoch oceánov" a v rovnomennom dobrodružnom filme robili Hrdinovia pomocou ultrazvukových zbraní nepredstaviteľné veci: zničili skalu, zabili obrovskú veľrybu, zničili loď svojich nepriateľov. Práca bola publikovaná v 30. rokoch XX storočia a potom sa verilo, že v blízkej budúcnosti bude možná existencia silnej ultrazvukovej zbrane - všetko je o dostupnosti technológie. Dnes veda tvrdí, že ultrazvukové vlny ako zbraň sú fantastické.

Ďalšou vecou je použitie ultrazvuku na mierové účely (ultrazvukové čistenie, vŕtanie otvorov, drvenie obličkových kameňov atď..). Ďalej zistíme, ako sa správajú akustické vlny s veľkou amplitúdou a intenzitou zvuku.

Funkcia silných zvukov

Existuje koncept nelineárnych efektov. Sú to efekty charakteristické len pre dostatočne silné vlny a závisia od ich amplitúdy. Vo fyzike existuje dokonca špeciálna časť, ktorá študuje silné vlny — nelineárna akustika. Niekoľko príkladov toho, čo skúma: hrom, podvodné výbuchy, seizmické vlny zo zemetrasení. Vynárajú sa dve otázky.

• Prvý: aká je sila zvuku?
• Po druhé: aké sú nelineárne účinky, čo je na nich neobvyklé, kde sa používajú?

Čo je akustická vlna

Zvuková vlna je oblasť zriedenia kompresie, ktorá sa rozbieha cez médium. Zmeny tlaku v ktorejkoľvek jeho časti. Je to spôsobené zmenou kompresného pomeru. Zmeny prekrývajúce sa s počiatočným tlakom, ktorý bol v médiu, sa nazývajú akustický tlak.

Tok zvukovej energie

Vlna má energiu, ktorá deformuje médium (ak sa zvuk šíri v atmosfére, potom je to energia elastickej deformácie vzduchu). Okrem toho má vlna kinetickú energiu molekúl. Smer toku energie sa zhoduje so smerom, v ktorom sa zvuk rozbieha. Tok energie prechádzajúci jedným miestom za jednotku času charakterizuje intenzitu. A to sa týka oblasti kolmej na pohyb vlny.

Intenzita

Intenzita I aj akustický tlak p závisia od vlastností média. Nebudeme sa zaoberať týmito závislosťami, uvedieme iba vzorec intenzity zvuku spájajúci p, I a charakteristiky strednej hustoty (p) a rýchlosť zvuku v médiu (c):

I = p_0²/2ks.

Tu p₀ je amplitúda akustického tlaku.

Čo je silný a slabý hluk? Sila (N) je zvyčajne určená hladinou akustického tlaku — hodnotou, ktorá je spojená s amplitúdou vlny. Jednotka intenzity zvuku - decibel (dB).

N = 20×lg (p / p_n), dB.

Tu p_p je prahový tlak, bežne sa predpokladá, že je 2 ×10^-5 Pa. Tlak p_n približne zodpovedá intenzite I_n = 10^-12 W / m² veľmi slabý zvuk, ktorý môže ľudské ucho stále vnímať vo vzduchu pri frekvencii 1 000 Hz. Zvuk je silnejší, čím vyššia je úroveň akustického tlaku.

Hlasitosť

Subjektívne predstavy o sile zvuku súvisia s konceptom hlasitosti, t. j. . viazané na frekvenčný rozsah vnímaný uchom (pozri. Tabuľka).

A čo robiť, robte, keď frekvencia leží mimo tohto rozsahu - v oblasti ultrazvuku? Práve v tejto situácii( pri experimentovaní s ultrazvukom pri frekvenciách rádovo 1 megahertz) je ľahšie pozorovať nelineárne účinky v laboratóriu. Dospeli sme k záveru, že má zmysel nazývať také akustické vlny silnými, pre ktoré sú viditeľné nelineárne efekty.

Nelineárne účinky

Je známe, že obyčajná (lineárna) vlna, ktorej intenzita zvuku je malá, sa šíri v médiu bez zmeny jeho tvaru. Zároveň sa oblasti zriedenia aj kompresné oblasti pohybujú v priestore rovnakou rýchlosťou — to je rýchlosť zvuku v médiu. Ak zdroj generuje vlnu, potom jej profil zostáva vo forme sínusovej vlny v akejkoľvek vzdialenosti od nej.

Pri intenzívnej zvukovej vlne je obraz iný: kompresné oblasti (akustický tlak je kladný) sa pohybujú rýchlosťou presahujúcou rýchlosť zvuku a oblasti zriedenia sa pohybujú rýchlosťou nižšou ako je rýchlosť zvuku v danom médiu. V dôsledku toho sa profil veľmi mení. Predné plochy sú veľmi strmé a chrbty vlny sú plochejšie. Takéto silné zmeny tvaru sú nelineárnym efektom. Čím silnejšia je vlna, tým väčšia je jej amplitúda, tým rýchlejšie je profil skreslený.

Po dlhú dobu sa považovalo za možné prenášať vysoké hustoty energie na veľké vzdialenosti pomocou akustického lúča. Inšpiratívnym príkladom bol laser schopný ničiť štruktúry, dierovať otvory a byť vo veľkej vzdialenosti. Zdá sa, že nahradenie svetla zvukom je možné. Existujú však ťažkosti, kvôli ktorým je nereálne vytvoriť ultrazvukovú zbraň.

Ukazuje sa, že pre každú vzdialenosť existuje hraničná hodnota intenzity zvuku, ktorá dosiahne cieľ. Čím väčšia je vzdialenosť, tým nižšia je intenzita. A obvyklý útlm akustických vĺn pri prechode médiom s tým nemá nič spoločné. Útlm sa výrazne zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Je však možné ho zvoliť tak, aby bolo možné zanedbať obvyklý (lineárny) útlm v správnych vzdialenostiach. Pre signál s frekvenciou 1 MHz vo vode je to 50 m, pre ultrazvuk s dostatočne veľkou amplitúdou to môže byť len 10 cm.

Predstavte si, že na nejakom mieste v priestore je generovaná vlna, ktorej intenzita zvuku je taká, že jej správanie bude významne ovplyvnené nelineárnymi účinkami. Amplitúda oscilácií sa zníži, Keď sa vzdialite od zdroja. To sa stane čím skôr, tým väčšia je počiatočná amplitúda p₀. Pri veľmi vysokých hodnotách rýchlosť poklesu vlny nezávisí od veľkosti počiatočného signálu p₀. Tento proces nastáva, kým vlna nezmizne a nelineárne efekty sa nezastavia. Potom sa bude líšiť v nelineárnom režime. K ďalšiemu útlmu dochádza podľa zákonov lineárnej akustiky,. teda. je oveľa slabšia a nezávisí od veľkosti počiatočnej poruchy.

Ako sa potom ultrazvuk úspešne používa v mnohých priemyselných odvetviach: sú vŕtané, čistené atď. . Pri týchto manipuláciách je vzdialenosť od žiariča malá, takže nelineárny útlm ešte nemá čas na získanie hybnosti.

Prečo rázové vlny tak ovplyvňujú prekážky? Je známe, že výbuchy môžu zničiť štruktúry umiestnené dosť ďaleko. Rázová vlna je však nelineárna, takže miera útlmu by mala byť vyššia ako u slabších vĺn.

Pointa je táto: jeden signál nefunguje ako periodický. Jeho špičková hodnota klesá, keď sa vzďaľuje od zdroja. Zvýšením amplitúdy vlny (napríklad sily výbuchu) je možné dosiahnuť veľké tlaky na prekážku v danej (aj malej) vzdialenosti a tým ju zničiť.