Intenzita zvuku, jeho síla a tok zvukové energie

V románu tajemství dvou oceánů a ve stejnojmenném dobrodružném filmu vytvořili hrdinové ultrazvukovou zbraň nepředstavitelné věci: zničili skálu, zabili obrovskou velrybu, zničili loď svých nepřátel. Práce byla vydána v 30 letech 20. století a poté se věřilo, že v blízké budoucnosti bude možná existence výkonných ultrazvukových zbraní - jde pouze o dostupnost technologie. Dnes věda tvrdí, že ultrazvukové vlny jako zbraně jsou fantastické.

Další věcí je použití ultrazvuku pro mírové účely (ultrazvukové čištění, vrtání otvorů, drcení ledvinových kamenů atd.). Dále pochopíme, jak se akustické vlny chovají s velkou amplitudou a intenzitou zvuku.

Funkce silných zvuků

Existuje pojem nelineárních efektů. Jedná se o efekty charakteristické pouze pro dostatečně silné vlny a závislé na jejich amplitudě. Ve fyzice je dokonce zvláštní část, která studuje silné vlny-nelineární akustika. Několik příkladů toho, co zkoumá: hrom, Podvodní výbuchy, seismické vlny ze zemětřesení. Vyvstávají dvě otázky.

• První: co je síla zvuku?
• Za druhé: jaké jsou nelineární efekty, Co je v nich neobvyklé, kde se používají?

Co je akustická vlna

Zvuková vlna jsou oblasti komprese a vzácnosti, které se v médiu liší. Kdekoli se tlak mění. To je způsobeno změnou kompresního poměru. Změny aplikované na počáteční tlak, který byl v médiu, se nazývají zvukový tlak.

Tok zvukové energie

Vlna má energii, která deformuje médium (pokud se zvuk šíří v atmosféře, pak je to energie elastické deformace vzduchu). Kromě toho má vlna kinetickou energii molekul. Směr toku energie je stejný jako směr, ve kterém se zvuk liší. Tok energie procházející za jednotku času přes jednotkovou podložku charakterizuje intenzitu. A to znamená oblast kolmá na pohyb vlny.

Intenzita

Intenzita i i akustický tlak P závisí na vlastnostech média. Nebudeme se zabývat těmito závislostmi, uvedeme pouze vzorec intenzity zvuku spojující P, I a charakteristiky média-hustotu (ρ) a rychlost zvuku v médiu (C):

I = p_0²/2ρc.

Zde p₀ - amplituda akustického tlaku.

Co je to silný a slabý hluk? Síla (N) je obvykle určena hladinou akustického tlaku-hodnotou, která souvisí s amplitudou vlny. Jednotka intenzity zvuku je decibel (db).

N = 20×lg(p/p_p), db.

Zde p_p je prahový tlak podmíněně přijatý na 2×10^-5 Taneční krok. Tlak p_p zhruba odpovídá intenzitě I_p = 10^-12 W / m² velmi slabý zvuk, který může lidské ucho stále vnímat ve vzduchu při 1000 Hz. Zvuk je silnější, čím vyšší je hladina akustického tlaku.

Hlasitost

Subjektivní představy o síle zvuku souvisejí s pojmem objem, t. e. vázán na frekvenční rozsah vnímané uchem (viz. tabulku).

A jak být, když frekvence leží mimo tento rozsah-v oblasti ultrazvuku? Právě v této situaci (při experimentech s ultrazvukem při frekvencích řádově 1 Megahertz) je snazší pozorovat nelineární účinky v laboratorních podmínkách. Vyvozujeme závěr: má smysl nazývat takové akustické vlny silnými, pro které jsou patrné nelineární efekty.

Nelineární efekty

Je známo, že obyčejná (lineární) vlna, jejíž intenzita zvuku je malá, se šíří v médiu, aniž by změnila svůj tvar. Současně se oblasti vzácnosti i oblasti komprese pohybují prostorem stejnou rychlostí-to je rychlost zvuku v médiu. Pokud zdroj vytvoří vlnu, její profil zůstane ve formě sinusoidy v jakékoli vzdálenosti od ní.

V intenzivní zvukové vlně je obraz odlišný: oblasti komprese (akustický tlak je kladný) se pohybují rychlostí vyšší než rychlost zvuku a oblasti vzácnosti se pohybují rychlostí nižší než rychlost zvuku v daném prostředí. V důsledku toho se profil hodně mění. Přední povrchy jsou velmi strmé a záda vlny jsou mírnější. Takové silné změny tvaru jsou nelineární efekt. Čím silnější je vlna, tím větší je její amplituda, tím rychleji se profil zkresluje.

Po dlouhou dobu byl považován za možný přenos vysokých energetických hustot na velké vzdálenosti pomocí akustického paprsku. Inspirativním příkladem byl Laser schopný ničit struktury, děrovat díry, zatímco je na velké vzdálenosti. Vzniká dojem, že výměna světla za zvuk je možná. Existují však potíže, kvůli kterým je vytvoření ultrazvukové zbraně nereálné.

Ukazuje se, že pro každou vzdálenost existuje hraniční hodnota intenzity zvuku, která dosáhne cíle. Čím větší je vzdálenost, tím nižší je intenzita. A obvyklý útlum akustických vln při průchodu médiem zde není nic. Útlum se znatelně zvyšuje se zvyšující se frekvencí. Můžete si jej však vybrat tak, aby obvyklý (lineární) útlum na požadované vzdálenosti mohl být zanedbán. Pro signál 1 MHz ve vodě je 50 m, pro ultrazvuk je dostatečně velká amplituda-může to být jen 10 cm.

Představme si, že na určitém místě prostoru je generována vlna, jejíž intenzita zvuku je taková, že nelineární efekty výrazně ovlivní jeho chování. Amplituda kmitů bude klesat, jak se vzdálíte od zdroje. K tomu dojde dříve, čím větší je počáteční amplituda p₀. Při velmi vysokých hodnotách je rychlost poklesu vlny nezávislá na velikosti počátečního signálu p₀. K takovému procesu dochází, dokud vlna nezmizí a nelineární efekty se zastaví. Poté se bude lišit v nelineárním režimu. K dalšímu útlumu dochází podle zákonů lineární akustiky, t. e. je mnohem slabší a nezávisí na velikosti původní poruchy.

Jak se tedy ultrazvuk úspěšně používá v mnoha průmyslových odvětvích: je vrtán, čištěn atd. d. Při těchto manipulacích je vzdálenost od emitoru malá, takže nelineární útlum ještě nemá čas na získání otáček.

Proč rázové vlny tolik ovlivňují překážky? Je známo, že výbuchy mohou zničit struktury, které jsou docela daleko. Ale rázová vlna je nelineární, takže rychlost rozpadu by měla být vyšší než rychlost slabších vln.

Sečteno a podtrženo je toto: jediný signál nefunguje jako periodický signál. Jeho maximální hodnota klesá, jak se vzdálíte od zdroje. Zvýšením amplitudy vlny (například síly výbuchu) lze dosáhnout velkých tlaků na překážku v dané (i když malé) vzdálenosti, a tím ji zničit.