Im Roman „Das Geheimnis der zwei Ozeane“und im gleichnamigen Abenteuerfilm vollbrachten die Helden mit Ultraschallwaffen Unvorstellbares: Sie zerstörten einen Felsen, töteten einen riesigen Wal und zerstörten ihr Schiff Feinde. Die Arbeit wurde bereits in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts veröffentlicht, und dann glaubte man, dass in naher Zukunft die Existenz einer leistungsstarken Ultraschallwaffe möglich sein würde - es dreht sich alles um die Verfügbarkeit von Technologie. Heute behauptet die Wissenschaft, dass Ultraschallwellen als Waffen fantastisch sind.
Eine andere Sache ist der Einsatz von Ultraschall für friedliche Zwecke (Ultraschallreinigung, Bohren von Löchern, Zertrümmern von Nierensteinen etc.). Als nächstes werden wir verstehen, wie sich Schallwellen mit großer Amplitude und Schallintensität verh alten.
Leistungsstarke Soundfunktion
Es gibt ein Konzept nichtlinearer Effekte. Das sind Effekte, die nur eigenartig genug sindstarken Wellen und abhängig von ihrer Amplitude. In der Physik gibt es sogar eine spezielle Abteilung, die mächtige Wellen untersucht - die nichtlineare Akustik. Einige Beispiele für das, was sie untersucht, sind Donner, Unterwasserexplosionen, seismische Wellen von Erdbeben. Es stellen sich zwei Fragen.
- Erstens: Was ist die Kraft des Schalls?
- Zweitens: Was sind nichtlineare Effekte, was ist daran ungewöhnlich, wo werden sie eingesetzt?
Was ist eine Schallwelle
Eine Schallwelle ist ein Abschnitt der Kompressionsverdünnung, der im Medium divergiert. An jeder seiner Stellen ändert sich der Druck. Dies liegt an einer Änderung des Kompressionsverhältnisses. Änderungen, die dem Anfangsdruck in der Umgebung überlagert sind, werden Schalldruck genannt.
Schallenergiefluss
Eine Welle hat Energie, die das Medium verformt (wenn sich Schall in der Atmosphäre ausbreitet, dann ist dies die Energie der elastischen Verformung der Luft). Außerdem hat die Welle die kinetische Energie der Moleküle. Die Richtung des Energieflusses fällt mit der Richtung zusammen, in der der Schall divergiert. Der Energiefluss durch eine Flächeneinheit pro Zeiteinheit charakterisiert die Intensität. Und das bezieht sich auf den Bereich senkrecht zur Bewegung der Welle.
Intensität
Sowohl die Intensität I als auch der Schalldruck p hängen von den Eigenschaften des Mediums ab. Auf diese Abhängigkeiten gehen wir nicht weiter ein, wir geben nur die Schallintensitätsformel bezüglich p, I und den Eigenschaften des Mediums - der Dichte (ρ) und der Schallgeschwindigkeit im Medium (c) an:
I=p02/2ρc.
Hierp0 - Schalldruckamplitude.
Was ist starkes und schwaches Rauschen? Die Kraft (N) wird normalerweise durch den Schalldruckpegel bestimmt - ein Wert, der mit der Amplitude der Welle verbunden ist. Die Einheit der Schallintensität ist Dezibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Hier ist pp der Schwellendruck, der bedingt gleich 2×10-5 Pa genommen wird. Der Druck pp entspricht in etwa der Intensität Ip=10-12 W/m2 ist ein sehr schwacher Ton, der noch vom menschlichen Ohr in der Luft bei einer Frequenz von 1000 Hz wahrgenommen werden kann. Der Ton ist umso stärker, je höher der Schalldruckpegel ist.
Lautstärke
Subjektive Vorstellungen von Schallstärke sind mit dem Begriff der Lautstärke verbunden, also an den vom Ohr wahrnehmbaren Frequenzbereich gebunden (siehe Tabelle).
Und wenn die Frequenz außerhalb dieses Bereichs liegt - im Bereich Ultraschall? In dieser Situation (während Experimenten mit Ultraschall bei Frequenzen in der Größenordnung von 1 Megahertz) ist es einfacher, nichtlineare Effekte unter Laborbedingungen zu beobachten. Wir schließen daraus, dass es sinnvoll ist, starke akustische Wellen zu nennen, bei denen nichtlineare Effekte bemerkbar werden.
Nichtlineare Effekte
Es ist bekannt, dass sich eine gewöhnliche (lineare) Welle, deren Schallintensität gering ist, in einem Medium ausbreitet, ohne ihre Form zu verändern. In diesem Fall bewegen sich sowohl Verdünnungs- als auch Kompressionsregionen mit der gleichen Geschwindigkeit im Raum - dies ist die Schallgeschwindigkeit im Medium. Wenn die Quelleerzeugt eine Welle, dann bleibt ihr Profil in jedem Abstand von ihr sinusförmig.
Bei einer intensiven Schallwelle ist das Bild anders: Kompressionsbereiche (Schalldruck ist positiv) bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die die Schallgeschwindigkeit übersteigt, und Verdünnungsbereiche - mit einer Geschwindigkeit, die geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in ein bestimmtes Medium. Dadurch verändert sich das Profil stark. Die Stirnflächen werden sehr steil und die Wellenrücken sanfter. Solche starken Formänderungen sind der nichtlineare Effekt. Je stärker die Welle, desto größer ihre Amplitude, desto schneller wird das Profil verzerrt.
Lange Zeit g alt es als möglich, mit einem Schallstrahl hohe Energiedichten über große Entfernungen zu übertragen. Ein inspirierendes Beispiel war ein Laser, der in der Lage war, Strukturen zu zerstören, Löcher zu stanzen und in großer Entfernung zu sein. Es scheint, dass der Ersatz von Licht durch Ton möglich ist. Es gibt jedoch Schwierigkeiten, die es unmöglich machen, eine Ultraschallwaffe herzustellen.
Es stellt sich heraus, dass es für jede Entfernung einen Grenzwert für die Schallintensität gibt, die das Ziel erreicht. Je größer der Abstand, desto geringer die Intensität. Und die übliche Dämpfung akustischer Wellen beim Durchgang durch das Medium hat damit nichts zu tun. Die Dämpfung nimmt mit zunehmender Frequenz deutlich zu. Sie kann jedoch so gewählt werden, dass die übliche (lineare) Dämpfung bei den erforderlichen Entfernungen vernachlässigt werden kann. Bei einem Signal mit einer Frequenz von 1 MHz in Wasser sind das 50 m, bei Ultraschall mit ausreichend großer Amplitude können es nur 10 cm sein.
Stellen wir uns vor, dass irgendwo im Raum eine Welle erzeugt wird, die Intensitätdessen Klang so ist, dass nichtlineare Effekte sein Verh alten erheblich beeinflussen. Die Schwingungsamplitude nimmt mit der Entfernung von der Quelle ab. Dies geschieht umso eher, je größer die Anfangsamplitude p0 ist. Bei sehr hohen Werten hängt die Abklinggeschwindigkeit der Welle nicht vom Wert des Anfangssignals p0 ab. Dieser Prozess setzt sich fort, bis die Welle abklingt und die nichtlinearen Effekte aufhören. Danach wird es in einem nichtlinearen Modus divergieren. Die weitere Dämpfung erfolgt nach den Gesetzen der linearen Akustik, d. h. sie ist viel schwächer und hängt nicht von der Größe der anfänglichen Störung ab.
Wie also wird Ultraschall in vielen Branchen erfolgreich eingesetzt: Es wird gebohrt, gereinigt usw. Bei diesen Manipulationen ist der Abstand zum Sender gering, sodass die nichtlineare Dämpfung noch keine Zeit hatte, an Dynamik zu gewinnen.
Warum wirken Stoßwellen so stark auf Hindernisse? Es ist bekannt, dass Explosionen weit entfernte Strukturen zerstören können. Aber die Schockwelle ist nichtlinear, also muss die Zerfallsrate höher sein als die von schwächeren Wellen.
Die Quintessenz ist: Ein einzelnes Signal verhält sich nicht wie ein periodisches. Sein Spitzenwert nimmt mit der Entfernung von der Quelle ab. Durch Erhöhen der Amplitude der Welle (z. B. der Explosionsstärke) ist es möglich, bei gegebener (wenn auch geringer) Entfernung große Drücke auf das Hindernis auszuüben und es dadurch zu zerstören.
