در رمان "راز دو اقیانوس" و در فیلم ماجرایی به همین نام، قهرمانان با سلاح های مافوق صوت دست به کارهای غیرقابل تصوری زدند: آنها یک صخره را نابود کردند، یک نهنگ بزرگ را کشتند و کشتی خود را نابود کردند. دشمنان این کار در دهه 30 قرن بیستم منتشر شد و سپس اعتقاد بر این بود که در آینده نزدیک وجود یک سلاح قدرتمند اولتراسونیک امکان پذیر خواهد بود - همه چیز در مورد در دسترس بودن فناوری است. امروزه علم ادعا می کند که امواج اولتراسونیک به عنوان سلاح فوق العاده هستند.
مورد دیگر استفاده از سونوگرافی برای اهداف صلح آمیز (تمیز کردن اولتراسونیک، سوراخ کردن، خرد کردن سنگ کلیه و غیره) است. در مرحله بعد، خواهیم فهمید که امواج صوتی با دامنه و شدت صوت زیاد چگونه رفتار می کنند.
ویژگی صداهای قدرتمند
مفهومی از اثرات غیر خطی وجود دارد. اینها فقط به اندازه کافی اثرات عجیب و غریب هستندامواج قوی و بسته به دامنه آنها. در فیزیک، حتی یک بخش ویژه وجود دارد که امواج قدرتمند را مطالعه می کند - آکوستیک غیرخطی. چند نمونه از آنچه که او بررسی می کند، رعد و برق، انفجارهای زیر آب، امواج لرزه ای ناشی از زلزله است. دو سوال پیش می آید.
- اول: قدرت صدا چیست؟
- دوم: اثرات غیر خطی چیست، چه چیزی در آنها غیرمعمول است، کجا استفاده می شود؟
موج آکوستیک چیست
موج صوتی بخشی از فشرده سازی نادر است که در محیط واگرا می شود. در هر یک از مکان های آن، فشار تغییر می کند. این به دلیل تغییر در نسبت تراکم است. تغییرات اعمال شده بر فشار اولیه که در محیط وجود دارد، فشار صوت نامیده می شود.
جریان انرژی صوتی
یک موج دارای انرژی است که محیط را تغییر شکل می دهد (اگر صدا در جو منتشر شود، این انرژی تغییر شکل الاستیک هوا است). علاوه بر این، موج دارای انرژی جنبشی مولکول ها است. جهت جریان انرژی با مسیری که در آن صدا واگرا می شود منطبق است. جریان انرژی که از واحد سطح در واحد زمان عبور می کند شدت را مشخص می کند. و این به ناحیه عمود بر حرکت موج اشاره دارد.
شدت
هم شدت I و هم فشار آکوستیک p به خواص محیط بستگی دارد. ما به این وابستگی ها نمی پردازیم، ما فقط فرمول شدت صدا را مربوط به p، I و ویژگی های رسانه - چگالی (ρ) و سرعت صوت در محیط (c):می دهیم.
I=p02/2ρc.
اینجاp0 - دامنه فشار آکوستیک.
صدای قوی و ضعیف چیست؟ نیروی (N) معمولاً با سطح فشار صوت تعیین می شود - مقداری که با دامنه موج مرتبط است. واحد شدت صوت دسی بل (dB) است.
N=20×lg (p/pp)، دسی بل.
در اینجا pp فشار آستانه ای است که به طور مشروط برابر با 2×10-5 Pa است. فشار pp تقریباً مطابق با شدت Ip=10-12 W/m2 صدای بسیار ضعیفی است که هنوز در هوا با فرکانس 1000 هرتز توسط گوش انسان قابل درک است. هر چه سطح فشار آکوستیک بالاتر باشد صدا قوی تر است.
جلد
ایده های ذهنی در مورد قدرت صدا با مفهوم بلندی صدا همراه است، یعنی با محدوده فرکانس درک شده توسط گوش گره خورده است (جدول را ببینید).
و وقتی فرکانس خارج از این محدوده باشد - در زمینه سونوگرافی چطور؟ در این وضعیت (در طول آزمایشات با امواج فراصوت در فرکانس های مرتبه 1 مگاهرتز) است که مشاهده اثرات غیرخطی در شرایط آزمایشگاهی آسان تر است. ما به این نتیجه رسیدیم که منطقی است که امواج صوتی قدرتمندی را که اثرات غیرخطی برای آنها قابل توجه است، صدا کنیم.
اثرات غیرخطی
معروف است که یک موج معمولی (خطی) که شدت صوت آن کم است، بدون تغییر شکل در یک محیط منتشر می شود. در این مورد، هر دو ناحیه نادر و فشرده سازی در فضا با سرعت یکسان حرکت می کنند - این سرعت صوت در محیط است. اگر منبعیک موج تولید می کند، سپس مشخصات آن به شکل یک سینوسی در هر فاصله ای از آن باقی می ماند.
در یک موج صوتی شدید، تصویر متفاوت است: نواحی فشرده سازی (فشار صوت مثبت است) با سرعتی بیش از سرعت صوت حرکت می کنند و مناطق نادر - با سرعتی کمتر از سرعت صوت در یک رسانه داده شده در نتیجه، پروفایل تغییر زیادی می کند. سطوح جلو بسیار شیب دار می شود و پشت موج ملایم تر می شود. چنین تغییرات شکل قوی اثر غیر خطی است. هر چه موج قوی تر، دامنه آن بیشتر باشد، نمایه سریعتر مخدوش می شود.
برای مدت طولانی امکان انتقال چگالی انرژی بالا در فواصل طولانی با استفاده از پرتو صوتی وجود داشت. یک نمونه الهام بخش لیزری بود که قادر به تخریب سازه ها، سوراخ کردن سوراخ ها، قرار گرفتن در فاصله بسیار زیاد بود. به نظر می رسد که جایگزینی نور با صدا امکان پذیر باشد. با این حال، مشکلاتی وجود دارد که ساختن یک سلاح اولتراسونیک را غیرممکن می‌کند.
معلوم می شود که برای هر فاصله ای یک مقدار مرزی برای شدت صدایی که به هدف می رسد وجود دارد. هر چه فاصله بیشتر باشد، شدت آن کمتر است. و تضعیف معمول امواج صوتی هنگام عبور از محیط هیچ ربطی به آن ندارد. میرایی به طور قابل توجهی با افزایش فرکانس افزایش می یابد. با این حال، می توان آن را به گونه ای انتخاب کرد که از تضعیف معمول (خطی) در فواصل مورد نیاز غفلت شود. برای سیگنالی با فرکانس 1 مگاهرتز در آب، این 50 متر است، برای سونوگرافی با دامنه به اندازه کافی بزرگ، می تواند تنها 10 سانتی متر باشد.
بیایید تصور کنیم که یک موج در جایی از فضا به شدت تولید می شودکه صدای آن به گونه ای است که اثرات غیرخطی به طور قابل توجهی بر رفتار آن تأثیر می گذارد. با فاصله گرفتن از منبع، دامنه نوسان کاهش می یابد. هر چه زودتر این اتفاق بیفتد، دامنه اولیه p0 بیشتر می شود. در مقادیر بسیار بالا، نرخ فروپاشی موج به مقدار سیگنال اولیه p0 بستگی ندارد. این روند تا زمانی ادامه می یابد که موج کاهش یابد و اثرات غیرخطی متوقف شود. پس از آن، در حالت غیر خطی واگرا می شود. تضعیف بیشتر طبق قوانین آکوستیک خطی رخ می دهد، یعنی بسیار ضعیف تر است و به بزرگی اغتشاش اولیه بستگی ندارد.
چگونه اولتراسوند با موفقیت در بسیاری از صنایع استفاده می شود: آنها سوراخ می شوند، تمیز می شوند، و غیره. با این دستکاری ها، فاصله از امیتر کم است، بنابراین تضعیف غیرخطی هنوز فرصتی برای افزایش سرعت نداشته است.
چرا امواج ضربه ای چنین تأثیر قوی روی موانع دارند؟ مشخص است که انفجارها می توانند سازه های بسیار دور را تخریب کنند. اما موج ضربه ای غیر خطی است، بنابراین نرخ فروپاشی باید بیشتر از امواج ضعیف تر باشد.
خط اصلی این است: یک سیگنال واحد مانند سیگنال دوره ای عمل نمی کند. مقدار پیک آن با فاصله از منبع کاهش می یابد. با افزایش دامنه موج (مثلاً قدرت انفجار)، می توان به فشارهای زیادی در فاصله معین (حتی اگر کم) روی مانع دست یافت و در نتیجه آن را از بین برد.
