Інтенсивність звуку, його сила і потік звукової енергії

У романі "таємниця двох океанів" і в однойменному пригодницькому фільмі герої ультразвуковим зброєю творили неймовірні речі: руйнували скелю, вбивали величезного кита, знищували корабель своїх ворогів. Твір було видано ще в 30 роки XX століття, і тоді вважалося, що в недалекому майбутньому існування потужного ультразвукового зброї стане можливим-вся справа лише в доступності технологій. Сьогодні наука стверджує, що ультразвукові хвилі як зброя — це фантастика.

Інша справа-використання ультразвуку в мирних цілях (ультразвукове очищення, свердління отворів, дроблення каменів у нирках та ін.). Далі ми розберемося, як поводяться акустичні хвилі з великою амплітудою і інтенсивністю звуку.

Особливість потужних звуків

Існує поняття нелінійних ефектів. Це ефекти, властиві тільки досить сильним хвилям і залежать від їх амплітуди. У фізиці є навіть особливий розділ — який вивчає потужні хвилі, - нелінійна акустика. Кілька прикладів того, що вона досліджує: грім, підводні вибухи, сейсмічні хвилі від землетрусів. Виникають два питання.

• Перший: що таке сила звуку?
• Другий: в чому полягають нелінійні ефекти, що в них незвичайного, де їх застосовують?

Що таке акустична хвиля

Звукова хвиля - це ділянки стиснення-розрідження, які розходяться по середовищу. У будь-якому її місці змінюється тиск. Це відбувається через зміну ступеня стиснення. Зміни, що накладаються на початковий тиск, яке було в середовищі, і називаються звуковим тиском.

Потік звукової енергії

Хвиля має енергію, яка деформує середовище (якщо звук поширюється в атмосфері, то це енергія пружної деформації повітря). Крім того, хвиля має кінетичну енергію молекул. Напрямок течії енергії збігається з тим, в якому розходиться звук. Потік енергії, що проходить за одиницю часу через одиничну майданчик, характеризує інтенсивність. Причому мається на увазі область, перпендикулярна руху хвилі.

Інтенсивність

І інтенсивність I, і акустичний тиск p залежать від властивостей середовища. Не будемо зупинятися на цих залежностях, наведемо лише формулу інтенсивності звуку, що зв`язує p, I і характеристики середовища-щільність (ρ) і швидкість звуку в середовищі (з):

I = p_0²/2ρc.

Тут p₀ - амплітуда акустичного тиску.

Що ж таке сильний і слабкий шум? Силу (N) прийнято визначати рівнем звукового тиску-величиною, яка пов`язана з амплітудою хвилі. Одиниця інтенсивності звуку-децибел (дБ).

N = 20×lg(p/p_е), дБ.

Тут p_е - це пороговий тиск, умовно прийняте рівним 2×10^-5 Па. Тиск p_е приблизно відповідає інтенсивності I_е = 10^-12 Вт / м² дуже слабкого звуку, який ще може сприйняти людське вухо в повітрі на частоті 1000 Гц. Звук тим сильніше, чим вище рівень акустичного тиску.

Гучність

Суб`єктивні уявлення про силу звуку пов`язані з поняттям гучності, т. е. прив`язані до діапазону частот, що сприймаються вухом (див. таблиця).

А як бути, коли частота лежить за межами цього діапазону - в області ультразвуку? Саме в цій ситуації (при дослідах з ультразвуком на частотах близько 1 мегагерц) простіше спостерігати в лабораторних умовах нелінійні ефекти. Робимо висновок: потужними має сенс називати такі акустичні хвилі, для яких нелінійні ефекти стають помітними.

Нелінійні ефекти

Відомо, що звичайна (лінійна) хвиля, інтенсивність звуку якої мала, поширюється в середовищі, не змінюючи своєї форми. При цьому і області розрідження, і області стиснення переміщаються в просторі з однією і тією ж швидкістю-це і є швидкість звуку в середовищі. Якщо джерело породжує хвилю, то профіль її залишається в формі синусоїди на будь-якому видаленні від нього.

В інтенсивній звуковій хвилі картина інша: області стиснення (звуковий тиск позитивно) переміщаються зі швидкістю, що перевищує швидкість звуку, а області розрідження-зі швидкістю меншою, ніж швидкість звуку в даному середовищі. В результаті профіль сильно змінюється. Передні поверхні стають дуже крутими, а спинки хвилі-більш пологими. Такі сильні зміни форми-це і є нелінійний ефект. Чим сильніше хвиля, чим більше її амплітуда, тим швидше спотворюється профіль.

Тривалий час вважалася можливою передача високих щільностей енергії на великі відстані за допомогою акустичного променя. Надихаючим прикладом став лазер, здатний руйнувати конструкції, пробивати отвори, перебуваючи на великій відстані. Створюється враження, що заміна світла на звук можлива. Однак є труднощі, через які створити ультразвукову зброю нереально.

Виявляється, що для будь-якої дистанції існує граничне значення інтенсивності звуку, який добереться до мети. Чим більше відстань, тим нижче інтенсивність. І звичайне загасання акустичних хвиль при проходженні крізь середу тут ні при чому. Загасання помітно посилюється зі збільшенням частоти. Однак можна підібрати її так, що звичайним (лінійним) загасанням на потрібних відстанях можна буде знехтувати. Для сигналу частотою 1 МГц у воді-це 50 м, для ультразвуку досить великий амплітуди - це може бути всього 10 см.

Уявімо, що в деякому місці простору згенерована хвиля, інтенсивність звуку якої така, що на її поведінці істотно позначаться нелінійні ефекти. Амплітуда коливань буде зменшуватися в міру віддалення від джерела. Це буде відбуватися тим швидше, чим більше Початкова амплітуда p₀. При дуже високих її значеннях швидкість убування хвилі не залежить від величини початкового сигналу p₀. Такий процес відбувається до тих пір, поки хвиля загасне і нелінійні ефекти припиняться. Після цього вона буде розходитися в нелінійному режимі. Подальше загасання відбувається за законами лінійної акустики, т. е. є куди більш слабким і не залежить від величини вихідного обурення.

Як же тоді ультразвук успішно використовують у багатьох промислових галузях: їм свердлять, очищають і т. д. При цих маніпуляціях відстань від випромінювача невелике, тому нелінійне загасання ще не встигає набрати обертів.

Чому ж ударні хвилі так сильно впливають на перешкоди? Відомо, що вибухи можуть руйнувати споруди, що знаходяться досить далеко. Але ж ударна хвиля нелінійна, тому швидкість загасання повинна бути вище, ніж у більш слабких хвиль.

Суть ось у чому: Одиночний сигнал діє не так, як періодичний. Його пікове значення зменшується в міру віддалення від джерела. Збільшуючи амплітуду хвилі (наприклад, силу вибуху), можна домогтися на заданому (нехай навіть невеликому) відстані великих тисків на перешкоду і тим самим зруйнувати його.