Особливість потужних звуків
Існує поняття нелінійних ефектів. Це ефекти, властиві тільки досить сильним хвилях 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.Що таке акустична хвиля
Потік звукової енергії
Хвиля володіє енергією, яка деформує середу (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 площадку, характеризує інтенсивність. Причому мається на увазі область, перпендикулярно 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, зв'язуючу p, I і характеристики середовища — густина (?) і швидкість звуку в середовищі (з): I = p 0 2 /2?c. Тут p 0 — амплітуда акустичного тиску.
Гучність
Суб'єктивні уявлення про силу звуку пов'язані з поняттям гучності, тобто прив'язані до діапазону частот, що сприймаються вухом (див. таблицю).
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 переміщуються в просторі з однією і тією ж швидкістю — це і є швидкість звуку в середовищі. Якщо джерело породжує хвилю, то профіль її залишається у формі синусоїди на будь-якому віддаленні від нього. В інтенсивній звукової 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. У підсумку профіль сильно змінюється. Передні поверхні стають дуже крутими, а спинки хвилі — більш пологими. Такі сильні зміни форми — це і є нелінійний ефект. Чим сильніша хвиля, чим більша її амплітуда, тим швидше спотворюється профіль. Тривалий час вважалася можливою передача високих густин 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, з-за яких створити ультразвукове зброю нереально.Виявляється, що для будь-якої дистанції існує граничне значення інтенсивності звуку, який дістанеться до мети. Чим більше відстань, тим нижче інтенсивність. І звичайне загасання акустичних хвиль при проходженні крізь середовище тут ні при чому. Загасання помітно посилюється зі збільшенням частоти. Проте можна підібрати її так, що звичайним (лінійним) загасанням на потрібних відстанях можна буде знехтувати. Для сигналу частотою 1 МГц в воді — це 50 м, для ультразвуку досить великої амплітуди — це може бути всього 10 див. Уявімо, що у певному місці простору згенерована хвиля, інтенсивність звуку якої така, що на її поведінці істотно позначаться нелінійні ефекти. Амплітуда коливань буде зменшуватися по мірі віддалення від джерела. Це буде відбуватися тим швидше, чим більше початкова амплітуда p 0 . При дуже високих її значеннях швидкість убування хвилі не залежить від величини початкового сигналу p 0 . Такий процес відбувається доти, поки хвиля загасне і нелінійні ефекти припиняться. Після цього вона буде розходитися в нелінійному режимі. Подальше згасання відбувається за законами лінійної акустики, тобто є куди більш слабким і не залежить від величини початкового збурення. 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.
