في رواية "سر المحيطين" وفي فيلم المغامرة الذي يحمل نفس الاسم ، قام الأبطال بأشياء لا يمكن تصورها بأسلحة فوق صوتية: لقد دمروا صخرة وقتلوا حوتًا ضخمًا ودمروا سفينةهم. أعداء. نُشر العمل في الثلاثينيات من القرن العشرين ، ثم ساد الاعتقاد أنه في المستقبل القريب سيصبح وجود سلاح قوي بالموجات فوق الصوتية ممكنًا - الأمر كله يتعلق بتوافر التكنولوجيا. اليوم ، يدعي العلم أن الموجات فوق الصوتية كأسلحة رائعة.
شيء آخر هو استخدام الموجات فوق الصوتية للأغراض السلمية (التنظيف بالموجات فوق الصوتية ، حفر ثقوب ، تكسير حصوات الكلى ، إلخ). بعد ذلك ، سوف نفهم كيف تتصرف الموجات الصوتية ذات السعة الكبيرة وكثافة الصوت.
ميزة الأصوات القوية
هناك مفهوم للتأثيرات غير الخطية. هذه تأثيرات غريبة بما يكفي فقطموجات قوية حسب اتساعها. في الفيزياء ، يوجد قسم خاص يدرس الموجات القوية - الصوتيات غير الخطية. بعض الأمثلة على ما تحقق فيه هي الرعد والانفجارات تحت الماء والموجات الزلزالية من الزلازل. يطرح سؤالان.
- اولا: ما هي قوة الصوت
- ثانيًا: ما هي التأثيرات غير الخطية ، ما هو غير المألوف فيها ، أين يتم استخدامها؟
ما هي الموجة الصوتية
الموجة الصوتية هي جزء من الانضغاط والخلخلة التي تتباعد في الوسط. يتغير الضغط في أي مكان من أماكنه. هذا بسبب تغيير في نسبة الضغط. التغييرات التي يتم فرضها على الضغط الأولي الذي كان في البيئة تسمى ضغط الصوت.
تدفق الطاقة الصوتية
تمتلك الموجة طاقة تشوه الوسط (إذا انتشر الصوت في الغلاف الجوي ، فهذه هي طاقة التشوه المرن للهواء). بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك الموجة الطاقة الحركية للجزيئات. يتزامن اتجاه تدفق الطاقة مع الاتجاه الذي يتباعد فيه الصوت. يميز تدفق الطاقة الذي يمر عبر وحدة مساحة لكل وحدة زمنية الكثافة. وهذا يشير إلى المنطقة العمودية على حركة الموجة.
كثافة
تعتمد كل من الشدة I والضغط الصوتي p على خصائص الوسط. لن نتطرق إلى هذه التبعيات ، بل سنقدم فقط معادلة شدة الصوت المتعلقة بـ p و I وخصائص الوسط - الكثافة (ρ) وسرعة الصوت في الوسط (ج):
أنا=p02/ 2ρc.
هناp0- سعة الضغط الصوتي.
ما هي الضوضاء القوية والضعيفة؟ يتم تحديد القوة (N) عادةً بمستوى ضغط الصوت - وهي قيمة مرتبطة بسعة الموجة. وحدة شدة الصوت هي ديسيبل (ديسيبل).
N=20 × lg (p / pp) ، ديسيبل.
هنا ppهو ضغط العتبة المأخوذ شرطيًا يساوي 2 × 10-5Pa. الضغط ppيتوافق تقريبًا مع الكثافة Ip=10-12W / m 2هو صوت خافت للغاية لا يزال من الممكن أن تدركه الأذن البشرية في الهواء بتردد 1000 هرتز. الصوت أقوى كلما ارتفع مستوى الضغط الصوتي.
حجم
ترتبط الأفكار الذاتية حول قوة الصوت بمفهوم الجهارة ، أي أنها مرتبطة بنطاق التردد الذي تدركه الأذن (انظر الجدول).
وماذا عن التردد خارج هذا النطاق - في مجال الموجات فوق الصوتية؟ في هذه الحالة (أثناء التجارب باستخدام الموجات فوق الصوتية بترددات تصل إلى 1 ميغا هرتز) يسهل ملاحظة التأثيرات غير الخطية في ظل ظروف المختبر. نستنتج أنه من المنطقي استدعاء الموجات الصوتية القوية التي تصبح التأثيرات غير الخطية ملحوظة.
تأثيرات غير خطية
من المعروف أن الموجة العادية (الخطية) ، شدة صوتها منخفضة ، تنتشر في وسط دون تغيير شكلها. في هذه الحالة ، تتحرك مناطق الخلخلة والضغط في الفضاء بنفس السرعة - هذه هي سرعة الصوت في الوسط. إذا كان المصدريولد موجة ، ثم يبقى ملفها الجانبي على شكل جيب على أي مسافة منها.
في موجة صوتية شديدة تختلف الصورة: مناطق انضغاط (ضغط الصوت موجب) تتحرك بسرعة تتجاوز سرعة الصوت ، ومناطق نادرة - بسرعة أقل من سرعة الصوت في وسيط معين. نتيجة لذلك ، يتغير ملف التعريف كثيرًا. تصبح الأسطح الأمامية شديدة الانحدار ، وتصبح خلفية الموجة أكثر رقة. هذه التغييرات القوية في الشكل هي التأثير غير الخطي. كلما كانت الموجة أقوى ، كلما زاد اتساعها ، زادت سرعة تشويه المظهر الجانبي.
لفترة طويلة كان من الممكن نقل كثافة طاقة عالية عبر مسافات طويلة باستخدام حزمة صوتية. كان أحد الأمثلة الملهمة هو الليزر القادر على تدمير الهياكل ، وإحداث الثقوب ، من مسافة بعيدة. يبدو أن استبدال الضوء بالصوت ممكن. ومع ذلك ، هناك صعوبات تجعل من المستحيل إنشاء سلاح فوق صوتي.
اتضح أنه لأي مسافة توجد قيمة حدية لشدة الصوت الذي سيصل إلى الهدف. كلما زادت المسافة ، انخفضت الشدة. والتوهين المعتاد للموجات الصوتية عند المرور عبر الوسط لا علاقة له بها. يزداد التوهين بشكل ملحوظ مع زيادة التردد. ومع ذلك ، يمكن اختياره بحيث يمكن إهمال التوهين المعتاد (الخطي) عند المسافات المطلوبة. بالنسبة للإشارة التي يبلغ ترددها 1 ميغا هرتز في الماء ، يكون هذا 50 مترًا ، وبالنسبة إلى الموجات فوق الصوتية ذات السعة الكبيرة بدرجة كافية ، يمكن أن تكون 10 سم فقط.
لنتخيل أن موجة تتولد في مكان ما في الفضاء ، الشدةصوتها بحيث أن التأثيرات غير الخطية ستؤثر بشكل كبير على سلوكها. ستقل سعة التذبذب مع المسافة من المصدر. سيحدث هذا بشكل أسرع ، كلما زادت السعة الأولية p0. عند القيم العالية جدًا ، لا يعتمد معدل اضمحلال الموجة على قيمة الإشارة الأولية p0. تستمر هذه العملية حتى تتحلل الموجة وتتوقف التأثيرات اللاخطية. بعد ذلك ، سوف تتباعد في وضع غير خطي. يحدث المزيد من التوهين وفقًا لقوانين الصوتيات الخطية ، أي أنه أضعف بكثير ولا يعتمد على حجم الاضطراب الأولي.
كيف يتم إذن استخدام الموجات فوق الصوتية بنجاح في العديد من الصناعات: يتم حفرها وتنظيفها وما إلى ذلك. مع هذه التلاعبات ، تكون المسافة من الباعث صغيرة ، وبالتالي لم يتح للتوهين غير الخطي وقت لاكتساب الزخم.
لماذا يكون لموجات الصدمة مثل هذا التأثير القوي على العوائق؟ من المعروف أن الانفجارات يمكن أن تدمر الهياكل الموجودة على مسافة بعيدة. لكن موجة الصدمة غير خطية ، لذلك يجب أن يكون معدل الاضمحلال أعلى من الموجات الأضعف.
المحصلة النهائية هي: إشارة واحدة لا تعمل كإشارة دورية. تتناقص قيمة الذروة مع المسافة من المصدر. من خلال زيادة سعة الموجة (على سبيل المثال ، قوة الانفجار) ، من الممكن تحقيق ضغوط كبيرة على العائق على مسافة معينة (حتى لو كانت صغيرة) وبالتالي تدميره.
