A la novel·la "El secret de dos oceans" i a la pel·lícula d'aventures del mateix nom, els herois van fer coses inimaginables amb armes ultrasòniques: van destruir una roca, van matar una enorme balena i van destruir el vaixell del seu vaixell. enemics. El treball es va publicar als anys 30 del segle XX, i aleshores es va creure que en un futur proper seria possible l'existència d'una poderosa arma ultrasònica: es tracta de la disponibilitat de la tecnologia. Avui, la ciència afirma que les ones ultrasòniques com a armes són fantàstiques.
Una altra cosa és l'ús d'ultrasons amb finalitats tranquil·les (neteja per ultrasons, perforació de forats, trituració de càlculs renals, etc.). A continuació, entendrem com es comporten les ones acústiques amb gran amplitud i intensitat sonora.
Funció de sons potents
Hi ha un concepte d'efectes no lineals. Aquests són efectes prou peculiarsones fortes i en funció de la seva amplitud. En física, fins i tot hi ha una secció especial que estudia les ones potents: l'acústica no lineal. Alguns exemples del que investiga són els trons, les explosions submarines, les ones sísmiques dels terratrèmols. Sorgeixen dues preguntes.
- Primer: quin és el poder del so?
- Segon: què són els efectes no lineals, què hi ha d'insòlit, on s'utilitzen?
Què és una ona acústica
Una ona sonora és una secció de compressió-rarefacció que divergeix en el medi. En qualsevol dels seus llocs, la pressió canvia. Això es deu a un canvi en la relació de compressió. Els canvis superposats a la pressió inicial que hi havia a l'entorn s'anomenen pressió sonora.
Flux d'energia sonora
Una ona té energia que deforma el medi (si el so es propaga a l'atmosfera, aquesta és l'energia de deformació elàstica de l'aire). A més, l'ona té l'energia cinètica de les molècules. La direcció del flux d'energia coincideix amb aquella en què el so divergeix. El flux d'energia que travessa una unitat d'àrea per unitat de temps caracteritza la intensitat. I això fa referència a l'àrea perpendicular al moviment de l'ona.
Intensitat
Tant la intensitat I com la pressió acústica p depenen de les propietats del medi. No ens detenem en aquestes dependències, només donarem la fórmula d'intensitat del so relacionant p, I i les característiques del medi: la densitat (ρ) i la velocitat del so al medi (c):
I=p02/2ρc.
Aquíp0 - amplitud de la pressió acústica.
Què és el soroll fort i feble? La força (N) ve determinada generalment pel nivell de pressió sonora, un valor associat a l'amplitud de l'ona. La unitat d'intensitat del so és el decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Aquí pp és la pressió llindar presa condicionalment igual a 2×10-5 Pa. La pressió pp correspon aproximadament a la intensitat Ip=10-12 W/m2 és un so molt feble que encara pot ser percebut per l'oïda humana a l'aire a una freqüència de 1000 Hz. El so és més fort com més alt és el nivell de pressió acústica.
Volum
Les idees subjectives sobre la força del so s'associen amb el concepte de sonoritat, és a dir, estan lligades al rang de freqüència percebut per l'oïda (vegeu la taula).
I què passa quan la freqüència es troba fora d'aquest rang, en el camp de l'ecografia? És en aquesta situació (durant els experiments amb ultrasons a freqüències de l'ordre d'1 megahertz) on és més fàcil observar efectes no lineals en condicions de laboratori. Arribem a la conclusió que té sentit anomenar ones acústiques potents per a les quals es fan notables efectes no lineals.
Efectes no lineals
Se sap que una ona normal (lineal), la intensitat sonora de la qual és baixa, es propaga en un medi sense canviar la seva forma. En aquest cas, tant les regions de rarefacció com de compressió es mouen a l'espai a la mateixa velocitat: aquesta és la velocitat del so al medi. Si la fontgenera una ona, llavors el seu perfil es manté en forma de sinusoide a qualsevol distància d'ella.
En una ona sonora intensa, la imatge és diferent: les àrees de compressió (la pressió del so és positiva) es mouen a una velocitat superior a la velocitat del so, i les zones d'enrarefacció, a una velocitat inferior a la velocitat del so en un mitjà determinat. Com a resultat, el perfil canvia molt. Les superfícies frontals es tornen molt escarpades i les posteriors de l'ona es tornen més suaus. Aquests canvis de forma tan forts són l'efecte no lineal. Com més forta és l'ona, més gran és la seva amplitud, més ràpid es distorsiona el perfil.
Durant molt de temps es va considerar possible transmetre altes densitats d'energia a llargues distàncies mitjançant un feix acústic. Un exemple inspirador va ser un làser capaç de destruir estructures, perforar forats, estar a gran distància. Sembla que la substitució de la llum pel so és possible. Tanmateix, hi ha dificultats que fan impossible crear una arma ultrasònica.
Resulta que per a qualsevol distància hi ha un valor límit per a la intensitat del so que arribarà a l'objectiu. Com més gran sigui la distància, menor serà la intensitat. I l'atenuació habitual de les ones acústiques en passar pel medi no hi té res a veure. L'atenuació augmenta notablement amb l'augment de la freqüència. No obstant això, es pot triar de manera que l'atenuació (lineal) habitual a les distàncies requerides es pugui descuidar. Per a un senyal amb una freqüència d'1 MHz a l'aigua, això és de 50 m, per a ultrasons d'una amplitud prou gran, només pot ser de 10 cm.
Imaginem que es genera una ona en algun lloc de l'espai, la intensitatel so és tal que els efectes no lineals afectaran significativament el seu comportament. L'amplitud de l'oscil·lació disminuirà amb la distància de la font. Com més aviat passarà, més gran serà l'amplitud inicial p0. A valors molt alts, la taxa de decadència de l'ona no depèn del valor del senyal inicial p0. Aquest procés continua fins que l'ona decau i s'aturen els efectes no lineals. Després d'això, divergirà en un mode no lineal. Una atenuació addicional es produeix segons les lleis de l'acústica lineal, és a dir, és molt més feble i no depèn de la magnitud de la pertorbació inicial.
Llavors, com s'utilitza amb èxit els ultrasons en moltes indústries: es foren, es netegen, etc. Amb aquestes manipulacions, la distància de l'emissor és petita, de manera que l'atenuació no lineal encara no ha tingut temps de guanyar impuls.
Per què les ones de xoc tenen un efecte tan fort sobre els obstacles? Se sap que les explosions poden destruir estructures situades força lluny. Però l'ona de xoc no és lineal, de manera que la taxa de decadència ha de ser més alta que la de les ones més febles.
La conclusió és aquesta: un sol senyal no actua com un de periòdic. El seu valor màxim disminueix amb la distància de la font. Augmentant l'amplitud de l'ona (per exemple, la força de l'explosió), és possible aconseguir grans pressions sobre l'obstacle a una distància determinada (encara que sigui petita) i així destruir-lo.
