U romanu "Tajna dva oceana" i u istoimenom pustolovnom filmu, junaci su ultrazvučnim oružjem učinili nezamislive stvari: uništili su stijenu, ubili ogromnog kita i uništili svoj brod. Neprijatelji. Djelo je objavljeno još 30-ih godina XX. stoljeća, a tada se vjerovalo da će u bliskoj budućnosti postojanje moćnog ultrazvučnog oružja postati moguće - sve se radi o dostupnosti tehnologije. Danas znanost tvrdi da su ultrazvučni valovi kao oružje fantastični.
Druga stvar je korištenje ultrazvuka u miroljubive svrhe (ultrazvučno čišćenje, bušenje rupa, drobljenje bubrežnih kamenaca itd.). Zatim ćemo razumjeti kako se ponašaju akustični valovi velike amplitude i jakosti zvuka.
Snažna značajka zvukova
Postoji koncept nelinearnih efekata. To su efekti samo dovoljno osebujnijakih valova i ovisno o njihovoj amplitudi. U fizici postoji čak i poseban odjeljak koji proučava snažne valove - nelinearnu akustiku. Nekoliko primjera onoga što ona istražuje su grmljavina, podvodne eksplozije, seizmički valovi od potresa. Postavljaju se dva pitanja.
- Prvo: koja je snaga zvuka?
- Drugo: što su nelinearni efekti, što je neobično kod njih, gdje se koriste?
Što je akustični val
Zvučni val je dio kompresije-razrjeđivanja koji se divergira u mediju. Na bilo kojem njegovom mjestu mijenja se pritisak. To je zbog promjene omjera kompresije. Promjene nadređene početnom tlaku koji je bio u okolini nazivaju se zvučnim tlakom.
Protok zvučne energije
Val ima energiju koja deformira medij (ako se zvuk širi u atmosferi, onda je to energija elastične deformacije zraka). Osim toga, val ima kinetičku energiju molekula. Smjer toka energije poklapa se s onim u kojem se zvuk razilazi. Protok energije koji prolazi kroz jedinicu površine u jedinici vremena karakterizira intenzitet. A to se odnosi na područje okomito na kretanje vala.
Intenzitet
I intenzitet I i akustički tlak p ovise o svojstvima medija. Nećemo se zadržavati na ovim ovisnostima, dat ćemo samo formulu intenziteta zvuka koja se odnosi na p, I i karakteristike medija - gustoću (ρ) i brzinu zvuka u mediju (c):
I=p02/2ρc.
Ovdjep0 - amplituda akustičnog pritiska.
Što je jaka i slaba buka? Sila (N) obično je određena razinom zvučnog tlaka – vrijednosti koja je povezana s amplitudom vala. Jedinica intenziteta zvuka je decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Ovdje pp je granični tlak uvjetno uzet jednak 2×10-5 Pa. Tlak pp otprilike odgovara intenzitetu Ip=10-12 W/m2 je vrlo slab zvuk koji ljudsko uho još uvijek može osjetiti u zraku na frekvenciji od 1000 Hz. Zvuk je jači što je viša razina akustičkog tlaka.
Volume
Subjektivne ideje o jačini zvuka povezane su s konceptom glasnoće, odnosno vezane su za frekvencijski raspon koji percipira uho (vidi tablicu).
A što je kada je frekvencija izvan ovog raspona - u području ultrazvuka? U ovoj situaciji (tijekom eksperimenata s ultrazvukom na frekvencijama reda 1 megaherca) lakše je uočiti nelinearne učinke u laboratorijskim uvjetima. Zaključujemo da ima smisla nazvati moćne akustične valove za koje postaju vidljivi nelinearni efekti.
Nelinearni efekti
Poznato je da se običan (linearni) val, čiji je intenzitet zvuka nizak, širi u mediju bez promjene oblika. U ovom slučaju, i područja razrjeđivanja i kompresije kreću se u prostoru istom brzinom - to je brzina zvuka u mediju. Ako je izvorgenerira val, tada njegov profil ostaje u obliku sinusoida na bilo kojoj udaljenosti od njega.
U intenzivnom zvučnom valu, slika je drugačija: područja kompresije (zvučni tlak je pozitivan) kreću se brzinom većom od brzine zvuka, a područja razrjeđivanja - brzinom manjom od brzine zvuka u danom mediju. Kao rezultat toga, profil se dosta mijenja. Prednje površine postaju vrlo strme, a stražnje strane vala postaju nježnije. Takve snažne promjene oblika su nelinearni učinak. Što je val jači, veća je njegova amplituda, profil se brže iskrivljuje.
Dugo se vremena smatralo mogućim prenijeti visoke gustoće energije na velike udaljenosti pomoću akustične zrake. Inspirativni primjer bio je laser sposoban uništavati strukture, probijati rupe, biti na velikoj udaljenosti. Čini se da je zamjena svjetla zvukom moguća. Međutim, postoje poteškoće koje onemogućuju stvaranje ultrazvučnog oružja.
Ispada da za bilo koju udaljenost postoji granična vrijednost za intenzitet zvuka koji će doći do cilja. Što je udaljenost veća, to je niži intenzitet. A uobičajeno slabljenje akustičnih valova pri prolasku kroz medij nema nikakve veze s tim. Prigušenje se značajno povećava s povećanjem frekvencije. Međutim, može se odabrati tako da se uobičajeno (linearno) slabljenje na traženim udaljenostima može zanemariti. Za signal frekvencije od 1 MHz u vodi, to je 50 m, za ultrazvuk dovoljno velike amplitude može biti samo 10 cm.
Zamislimo da se val generira na nekom mjestu u prostoru, intenzitetačiji je zvuk takav da će nelinearni efekti značajno utjecati na njegovo ponašanje. Amplituda titranja će se smanjivati s udaljenosti od izvora. To će se dogoditi što prije, što je veća početna amplituda p0. Pri vrlo visokim vrijednostima, stopa raspada vala ne ovisi o vrijednosti početnog signala p0. Taj se proces nastavlja sve dok val ne propadne i nelinearni učinci prestanu. Nakon toga će se divergirati u nelinearnom načinu rada. Daljnje prigušivanje događa se prema zakonima linearne akustike, tj. puno je slabije i ne ovisi o veličini početnog poremećaja.
Kako se onda ultrazvuk uspješno koristi u mnogim industrijama: buše se, čiste, itd. Ovim manipulacijama udaljenost od emitera je mala, tako da nelinearno prigušenje još nije imalo vremena da dobije zamah.
Zašto udarni valovi imaju tako snažan učinak na prepreke? Poznato je da eksplozije mogu uništiti strukture koje se nalaze dosta daleko. Ali udarni val je nelinearan, tako da stopa raspadanja mora biti veća od one slabijih valova.
Suština je sljedeća: jedan signal ne djeluje kao periodični. Njegova vršna vrijednost opada s udaljenosti od izvora. Povećanjem amplitude vala (npr. jačine eksplozije) moguće je postići velike pritiske na prepreku na zadanoj (čak i maloj) udaljenosti i time je uništiti.
