V románu „Tajemství dvou oceánů“a ve stejnojmenném dobrodružném filmu dokázali hrdinové s ultrazvukovými zbraněmi nepředstavitelné věci: zničili kámen, zabili obrovskou velrybu a zničili loď svého nepřátel. Práce byla zveřejněna ve 30. letech 20. století a tehdy se věřilo, že v blízké budoucnosti bude možná existence výkonné ultrazvukové zbraně - je to všechno o dostupnosti technologie. Dnes věda tvrdí, že ultrazvukové vlny jako zbraně jsou fantastické.
Další věcí je využití ultrazvuku pro mírové účely (ultrazvukové čištění, vrtání otvorů, drcení ledvinových kamenů atd.). Dále pochopíme, jak se chovají akustické vlny s velkou amplitudou a intenzitou zvuku.
Funkce výkonných zvuků
Existuje koncept nelineárních efektů. To jsou efekty pouze dostatečně zvláštnísilných vln a v závislosti na jejich amplitudě. Ve fyzice dokonce existuje speciální sekce, která studuje silné vlny – nelineární akustiku. Několik příkladů toho, co zkoumá, jsou hromy, podvodní exploze, seismické vlny ze zemětřesení. Vyvstávají dvě otázky.
- Za prvé: jaká je síla zvuku?
- Za druhé: co jsou to nelineární efekty, co je na nich neobvyklého, kde se používají?
Co je akustická vlna
Zvuková vlna je úsek komprese-reakce, který se v médiu rozchází. V kterémkoli jeho místě se tlak mění. To je způsobeno změnou kompresního poměru. Změny superponované na počátečním tlaku, který byl v prostředí, se nazývají akustický tlak.
Tok zvukové energie
Vlna má energii, která deformuje médium (pokud se zvuk šíří v atmosféře, pak je to energie pružné deformace vzduchu). Navíc má vlna kinetickou energii molekul. Směr toku energie se shoduje se směrem, ve kterém se zvuk rozchází. Intenzitu charakterizuje tok energie procházející jednotkou plochy za jednotku času. A to se týká oblasti kolmé k pohybu vlny.
Intenzita
Intenzita I i akustický tlak p závisí na vlastnostech média. Nebudeme se těmito závislostmi zdržovat, uvedeme pouze vzorec intenzity zvuku vztahující se k p, I a charakteristikám média - hustotě (ρ) a rychlosti zvuku v médiu (c):
I=p02/2ρc.
Tadyp0 - amplituda akustického tlaku.
Co je silný a slabý hluk? Síla (N) je obvykle určena hladinou akustického tlaku - hodnotou, která je spojena s amplitudou vlny. Jednotkou intenzity zvuku je decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Zde pp je podmíněně přijatý prahový tlak rovný 2×10-5 Pa. Tlak pp zhruba odpovídá intenzitě Ip=10-12 W/m2 je velmi slabý zvuk, který může lidské ucho stále vnímat ve vzduchu při frekvenci 1000 Hz. Zvuk je tím silnější, čím vyšší je hladina akustického tlaku.
Volume
Subjektivní představy o síle zvuku jsou spojeny s pojmem hlasitost, to znamená, že jsou vázány na frekvenční rozsah vnímaný uchem (viz tabulka).
A co když frekvence leží mimo tento rozsah – v oblasti ultrazvuku? Právě v této situaci (při experimentech s ultrazvukem o frekvencích řádově 1 megahertz) je v laboratorních podmínkách snazší pozorovat nelineární efekty. Došli jsme k závěru, že má smysl nazývat silné akustické vlny, u kterých jsou patrné nelineární efekty.
Nelineární efekty
Je známo, že obyčejná (lineární) vlna, jejíž intenzita zvuku je nízká, se šíří v médiu, aniž by změnila svůj tvar. V tomto případě se oblasti zředění i komprese pohybují v prostoru stejnou rychlostí – to je rychlost zvuku v médiu. Pokud zdrojgeneruje vlnu, pak její profil zůstává ve formě sinusoidy v jakékoli vzdálenosti od ní.
V intenzivní zvukové vlně je obraz jiný: oblasti komprese (zvukový tlak je kladný) se pohybují rychlostí překračující rychlost zvuku a oblasti vzácnosti – rychlostí menší než rychlost zvuku v dané médium. V důsledku toho se profil hodně mění. Přední plochy jsou velmi strmé a zadní strany vlny jsou jemnější. Takové silné změny tvaru jsou nelineárním efektem. Čím silnější je vlna, tím větší je její amplituda, tím rychleji je profil zkreslený.
Po dlouhou dobu se považovalo za možné přenášet vysoké hustoty energie na velké vzdálenosti pomocí akustického paprsku. Inspirativním příkladem byl laser schopný ničit struktury, děrovat díry, být na velkou vzdálenost. Zdá se, že nahrazení světla zvukem je možné. Existují však potíže, které znemožňují vytvoření ultrazvukové zbraně.
Ukazuje se, že pro jakoukoli vzdálenost existuje hraniční hodnota intenzity zvuku, který dosáhne cíle. Čím větší vzdálenost, tím nižší intenzita. A obvyklý útlum akustických vln při průchodu médiem s tím nemá nic společného. S rostoucí frekvencí se výrazně zvyšuje útlum. Lze jej však zvolit tak, aby bylo možné zanedbat obvyklý (lineární) útlum v požadovaných vzdálenostech. Pro signál o frekvenci 1 MHz ve vodě je to 50 m, pro ultrazvuk s dostatečně velkou amplitudou to může být jen 10 cm.
Představme si, že na nějakém místě v prostoru vzniká vlna, její intenzitajehož zvuk je takový, že nelineární efekty výrazně ovlivní jeho chování. Amplituda kmitání se bude snižovat se vzdáleností od zdroje. K tomu dojde, čím dříve, tím větší je počáteční amplituda p0. Při velmi vysokých hodnotách rychlost útlumu vlny nezávisí na hodnotě počátečního signálu p0. Tento proces pokračuje, dokud se vlna nerozpadne a nezastaví se nelineární efekty. Poté se bude rozcházet v nelineárním režimu. K dalšímu útlumu dochází podle zákonů lineární akustiky, tj. je mnohem slabší a nezávisí na velikosti počátečního rušení.
Jak se tedy ultrazvuk úspěšně používá v mnoha průmyslových odvětvích: vrtají se, čistí atd. Při těchto manipulacích je vzdálenost od emitoru malá, takže nelineární útlum ještě neměl čas nabrat na síle.
Proč mají rázové vlny tak silný účinek na překážky? Je známo, že výbuchy mohou zničit struktury umístěné poměrně daleko. Ale rázová vlna je nelineární, takže rychlost rozpadu musí být vyšší než u slabších vln.
Sečteno a podtrženo: jeden signál se nechová jako periodický. Jeho špičková hodnota klesá se vzdáleností od zdroje. Zvětšením amplitudy vlny (například síly výbuchu) je možné dosáhnout velkých tlaků na překážku v dané (i když malé) vzdálenosti a tím ji zničit.
