Trong cuốn tiểu thuyết "Bí mật của hai đại dương" và trong bộ phim phiêu lưu cùng tên, các anh hùng đã làm những điều không tưởng với vũ khí siêu âm: họ phá hủy một tảng đá, giết một con cá voi khổng lồ, và phá hủy con tàu của họ. kẻ thù. Công trình được xuất bản vào những năm 30 của thế kỷ XX, và sau đó người ta tin rằng trong tương lai gần sự tồn tại của một loại vũ khí siêu âm mạnh mẽ sẽ trở nên khả thi - tất cả là do sự sẵn có của công nghệ. Ngày nay, khoa học khẳng định rằng sóng siêu âm là vũ khí thật tuyệt vời.
Một điều nữa là việc sử dụng sóng siêu âm cho các mục đích hòa bình (siêu âm làm sạch, khoan lỗ, nghiền sỏi thận, v.v.). Tiếp theo, chúng ta sẽ hiểu cách sóng âm có biên độ và cường độ âm thanh lớn hoạt động như thế nào.
Tính năng âm thanh mạnh mẽ
Có một khái niệm về hiệu ứng phi tuyến tính. Đây là những hiệu ứng đặc biệt chỉ đủsóng mạnh và phụ thuộc vào biên độ của chúng. Trong vật lý, thậm chí còn có một phần đặc biệt nghiên cứu các sóng mạnh - âm học phi tuyến. Một vài ví dụ về những gì cô ấy điều tra là sấm sét, vụ nổ dưới nước, sóng địa chấn từ động đất. Hai câu hỏi nảy sinh.
- Thứ nhất: sức mạnh của âm thanh là gì?
- Thứ hai: hiệu ứng phi tuyến tính là gì, điều gì bất thường về chúng, chúng được sử dụng ở đâu?
Sóng âm là gì
Sóng âm là một phần của sự hiếm nén phân kỳ trong môi trường. Ở bất kỳ vị trí nào của nó, áp suất thay đổi. Điều này là do sự thay đổi trong tỷ lệ nén. Những thay đổi chồng lên áp suất ban đầu trong môi trường được gọi là áp suất âm thanh.
Dòng năng lượng âm
Một sóng có năng lượng làm biến dạng môi trường (nếu âm thanh truyền trong khí quyển thì đây là năng lượng biến dạng đàn hồi của không khí). Ngoài ra, sóng có động năng của các phân tử. Hướng của dòng năng lượng trùng với hướng mà âm thanh phân kỳ. Dòng năng lượng đi qua một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian đặc trưng cho cường độ. Và điều này đề cập đến khu vực vuông góc với chuyển động của sóng.
Cường độ
Cả cường độ I và áp suất âm p đều phụ thuộc vào tính chất của môi trường. Chúng tôi sẽ không dựa vào những phụ thuộc này, chúng tôi sẽ chỉ đưa ra công thức cường độ âm thanh liên quan đến p, I và các đặc tính của môi trường - mật độ (ρ) và tốc độ âm thanh trong môi trường (c):
I=p02/ 2ρc.
Đâyp0- biên độ áp suất âm thanh.
Tiếng ồn mạnh và yếu là gì? Lực (N) thường được xác định bởi mức áp suất âm thanh - một giá trị liên quan đến biên độ của sóng. Đơn vị của cường độ âm thanh là decibel (dB).
N=20 × lg (p / pp), dB.
Ở đây pplà áp suất ngưỡng có điều kiện lấy bằng 2 × 10-5Pa. Áp suất pptương ứng với cường độ Ip=10-12W / m2là một âm thanh rất nhỏ mà tai người vẫn có thể cảm nhận được trong không khí ở tần số 1000 Hz. Âm thanh càng mạnh thì mức áp suất âm thanh càng cao.
Khối lượng
Ý tưởng chủ quan về cường độ của âm thanh gắn liền với khái niệm về độ lớn, tức là, chúng gắn liền với dải tần số mà tai cảm nhận được (xem bảng).
Và khi tần số nằm ngoài phạm vi này - trong lĩnh vực siêu âm thì sao? Trong tình huống này (trong các thí nghiệm với siêu âm ở tần số bậc 1 megahertz), việc quan sát các hiệu ứng phi tuyến trong điều kiện phòng thí nghiệm trở nên dễ dàng hơn. Chúng tôi kết luận rằng điều hợp lý khi gọi các sóng âm thanh mạnh mẽ mà các hiệu ứng phi tuyến trở nên đáng chú ý.
Hiệu ứng phi tuyến
Người ta biết rằng một sóng thông thường (tuyến tính), cường độ âm thanh thấp, truyền trong một môi trường mà không thay đổi hình dạng của nó. Trong trường hợp này, cả vùng nén và vùng nén đều di chuyển trong không gian với cùng tốc độ - đây là tốc độ của âm thanh trong môi trường. Nếu nguồntạo ra một làn sóng, sau đó cấu hình của nó vẫn ở dạng hình sin ở bất kỳ khoảng cách nào so với nó.
Trong sóng âm cường độ cao, hình ảnh khác hẳn: các vùng bị nén (áp suất âm là dương) di chuyển với tốc độ vượt quá tốc độ âm thanh và các vùng hiếm - với tốc độ nhỏ hơn tốc độ của âm trong một phương tiện nhất định. Kết quả là, hồ sơ thay đổi rất nhiều. Các bề mặt phía trước trở nên rất dốc, và các mặt sau của làn sóng trở nên nhẹ nhàng hơn. Những thay đổi hình dạng mạnh mẽ như vậy là hiệu ứng phi tuyến tính. Sóng càng mạnh, biên độ của nó càng lớn, thì biến dạng càng nhanh.
Trong một thời gian dài, người ta đã coi là có thể truyền mật độ năng lượng cao trên một khoảng cách xa bằng cách sử dụng chùm âm thanh. Một ví dụ đầy cảm hứng là tia laser có khả năng phá hủy cấu trúc, đục lỗ ở khoảng cách rất xa. Có vẻ như việc thay thế ánh sáng bằng âm thanh là hoàn toàn có thể. Tuy nhiên, có những khó khăn khiến chúng ta không thể tạo ra vũ khí siêu âm.
Hóa ra là đối với bất kỳ khoảng cách nào đều có một giá trị ranh giới cho cường độ âm thanh sẽ đến mục tiêu. Khoảng cách càng lớn thì cường độ càng giảm. Và sự suy giảm thông thường của sóng âm khi truyền qua môi trường không liên quan gì đến nó. Sự suy giảm tăng lên rõ rệt với tần suất ngày càng tăng. Tuy nhiên, nó có thể được chọn để có thể bỏ qua sự suy giảm thông thường (tuyến tính) ở các khoảng cách cần thiết. Đối với tín hiệu có tần số 1 MHz trong nước, đây là 50 m, đối với siêu âm có biên độ đủ lớn, nó có thể chỉ là 10 cm.
Hãy tưởng tượng rằng một làn sóng được tạo ra ở một nơi nào đó trong không gian, cường độâm thanh mà các hiệu ứng phi tuyến tính sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hành vi của nó. Biên độ dao động sẽ giảm dần theo khoảng cách từ nguồn. Điều này xảy ra càng sớm thì biên độ ban đầu p0càng lớn. Ở các giá trị rất cao, tốc độ phân rã của sóng không phụ thuộc vào giá trị của tín hiệu ban đầu p0. Quá trình này tiếp tục cho đến khi sóng giảm dần và các hiệu ứng phi tuyến dừng lại. Sau đó, nó sẽ phân kỳ theo chế độ phi tuyến tính. Sự suy giảm thêm xảy ra theo quy luật của âm học tuyến tính, tức là nó yếu hơn nhiều và không phụ thuộc vào độ lớn của nhiễu ban đầu.
Sau đó, sóng siêu âm được sử dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp như thế nào: chúng được khoan, làm sạch, v.v. Với những thao tác này, khoảng cách từ bộ phát nhỏ, do đó suy hao phi tuyến vẫn chưa có thời gian để lấy đà.
Tại sao sóng xung kích lại có tác dụng mạnh đến chướng ngại vật như vậy? Được biết, vụ nổ có thể phá hủy các công trình kiến trúc nằm ở khoảng cách khá xa. Nhưng sóng xung kích là phi tuyến tính, vì vậy tốc độ phân rã phải cao hơn tốc độ phân rã của các sóng yếu hơn.
Điểm mấu chốt là đây: một tín hiệu đơn lẻ không hoạt động giống như một tín hiệu tuần hoàn. Giá trị đỉnh của nó giảm dần theo khoảng cách từ nguồn. Bằng cách tăng biên độ của sóng (ví dụ, cường độ của vụ nổ), có thể đạt được áp lực lớn lên chướng ngại vật ở một khoảng cách nhất định (ngay cả khi nhỏ) và do đó phá hủy nó.
