Nel romanzo "Il segreto di due oceani" e nell'omonimo film d'avventura, gli eroi hanno fatto cose inimmaginabili con armi ad ultrasuoni: hanno distrutto una roccia, ucciso un'enorme balena e distrutto la nave della loro nemici. Il lavoro è stato pubblicato negli anni '30 del XX secolo, e quindi si credeva che nel prossimo futuro sarebbe diventata possibile l'esistenza di una potente arma ad ultrasuoni: è tutta una questione di disponibilità della tecnologia. Oggi, la scienza afferma che le onde ultrasoniche come armi sono fantastiche.
Un' altra cosa è l'uso degli ultrasuoni per scopi pacifici (pulizia a ultrasuoni, perforazione di fori, frantumazione di calcoli renali, ecc.). Successivamente, capiremo come si comportano le onde acustiche di grande ampiezza e intensità sonora.
Funzione di suoni potenti
Esiste un concetto di effetti non lineari. Questi sono effetti abbastanza peculiarionde forti e a seconda della loro ampiezza. In fisica, esiste anche una sezione speciale che studia le onde potenti: l'acustica non lineare. Alcuni esempi di ciò che indaga sono tuoni, esplosioni subacquee, onde sismiche da terremoti. Sorgono due domande.
- Primo: qual è il potere del suono?
- Secondo: cosa sono gli effetti non lineari, cosa hanno di insolito, dove vengono usati?
Cos'è un'onda acustica
Un'onda sonora è una sezione di compressione-rarefazione che diverge nel mezzo. In uno qualsiasi dei suoi punti, la pressione cambia. Ciò è dovuto a una modifica del rapporto di compressione. I cambiamenti sovrapposti alla pressione iniziale che c'era nell'ambiente sono chiamati pressione sonora.
Flusso di energia sonora
Un'onda ha energia che deforma il mezzo (se il suono si propaga nell'atmosfera, allora questa è l'energia della deformazione elastica dell'aria). Inoltre, l'onda possiede l'energia cinetica delle molecole. La direzione del flusso di energia coincide con quella in cui il suono diverge. Il flusso di energia che passa attraverso un'unità di area per unità di tempo caratterizza l'intensità. E questo si riferisce all'area perpendicolare al movimento dell'onda.
Intensità
Sia l'intensità I che la pressione acustica p dipendono dalle proprietà del mezzo. Non ci soffermeremo su queste dipendenze, daremo solo la formula dell'intensità del suono che mette in relazione p, I e le caratteristiche del mezzo - la densità (ρ) e la velocità del suono nel mezzo (c):
I=p02/2ρc.
Quip0 - ampiezza della pressione acustica.
Che cos'è un rumore forte e uno debole? La forza (N) è solitamente determinata dal livello di pressione sonora, un valore associato all'ampiezza dell'onda. L'unità di intensità del suono è il decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Qui pp è la pressione di soglia condizionatamente assunta pari a 2×10-5 Pa. La pressione pp corrisponde approssimativamente all'intensità Ip=10-12 W/m2 è un suono molto debole che può ancora essere percepito dall'orecchio umano nell'aria ad una frequenza di 1000 Hz. Il suono è più forte quanto più alto è il livello di pressione acustica.
Volume
Le idee soggettive sulla forza del suono sono associate al concetto di volume, cioè sono legate alla gamma di frequenze percepita dall'orecchio (vedi tabella).
E quando la frequenza si trova al di fuori di questo intervallo - nel campo degli ultrasuoni? È in questa situazione (durante gli esperimenti con gli ultrasuoni a frequenze dell'ordine di 1 megahertz) che è più facile osservare gli effetti non lineari in condizioni di laboratorio. Concludiamo che ha senso chiamare onde acustiche potenti per le quali gli effetti non lineari diventano evidenti.
Effetti non lineari
È noto che un'onda ordinaria (lineare), la cui intensità sonora è bassa, si propaga in un mezzo senza cambiarne la forma. In questo caso, sia le regioni di rarefazione che quelle di compressione si muovono nello spazio alla stessa velocità: questa è la velocità del suono nel mezzo. Se la fontegenera un'onda, quindi il suo profilo rimane a forma di sinusoide a qualsiasi distanza da essa.
In un'onda sonora intensa, l'immagine è diversa: le aree di compressione (la pressione sonora è positiva) si muovono a una velocità superiore a quella del suono e le aree di rarefazione - a una velocità inferiore a quella del suono in un dato mezzo. Di conseguenza, il profilo cambia molto. Le superfici frontali diventano molto ripide e le parti posteriori dell'onda diventano più dolci. Tali forti cambiamenti di forma sono l'effetto non lineare. Più forte è l'onda, maggiore è la sua ampiezza, più veloce sarà la distorsione del profilo.
Per molto tempo si è ritenuto possibile trasmettere densità di energia elevate su lunghe distanze utilizzando un raggio acustico. Un esempio ispiratore è stato un laser in grado di distruggere strutture, perforare buchi, trovarsi a grande distanza. Sembra che la sostituzione della luce con il suono sia possibile. Tuttavia, ci sono difficoltà che rendono impossibile creare un'arma ad ultrasuoni.
Si scopre che per qualsiasi distanza esiste un valore limite per l'intensità del suono che raggiungerà il bersaglio. Maggiore è la distanza, minore è l'intensità. E la consueta attenuazione delle onde acustiche quando attraversano il mezzo non ha nulla a che fare con esso. L'attenuazione aumenta notevolmente con l'aumentare della frequenza. Tuttavia, può essere scelto in modo da trascurare la consueta attenuazione (lineare) alle distanze richieste. Per un segnale con una frequenza di 1 MHz in acqua, questo è 50 m, per ultrasuoni di ampiezza sufficientemente grande, può essere solo 10 cm.
Immaginiamo che un'onda sia generata in un punto dello spazio, l'intensitàil cui suono è tale che gli effetti non lineari influenzeranno in modo significativo il suo comportamento. L'ampiezza dell'oscillazione diminuisce con la distanza dalla sorgente. Ciò accadrà prima, maggiore sarà l'ampiezza iniziale p0. A valori molto alti, il tasso di decadimento dell'onda non dipende dal valore del segnale iniziale p0. Questo processo continua fino a quando l'onda decade e gli effetti non lineari si fermano. Dopodiché, divergerà in una modalità non lineare. Un'ulteriore attenuazione avviene secondo le leggi dell'acustica lineare, cioè è molto più debole e non dipende dall'entità del disturbo iniziale.
In che modo gli ultrasuoni vengono utilizzati con successo in molti settori: vengono perforati, puliti, ecc. Con queste manipolazioni, la distanza dall'emettitore è piccola, quindi l'attenuazione non lineare non ha ancora avuto il tempo di prendere slancio.
Perché le onde d'urto hanno un effetto così forte sugli ostacoli? È noto che le esplosioni possono distruggere strutture situate abbastanza lontane. Ma l'onda d'urto non è lineare, quindi il tasso di decadimento deve essere superiore a quello delle onde più deboli.
La linea di fondo è questa: un singolo segnale non si comporta come un segnale periodico. Il suo valore di picco diminuisce con la distanza dalla sorgente. Aumentando l'ampiezza dell'onda (ad esempio, la forza dell'esplosione), è possibile ottenere forti pressioni sull'ostacolo a una data (anche se piccola) distanza e quindi distruggerlo.
