Интенсивность звука, его сила и поток звуковой энергии

В романе «Тайна двух океанов» и в одноименном приключенческом фильме герои ультразвуковым оружием творили невообразимые вещи: разрушали скалу, убивали огромного кита, уничтожали корабль своих врагов. Произведение было издано еще в 30 годы XX века, и тогда считалось, что в скором будущем существование мощного ультразвукового оружия станет возможным - все дело лишь в доступности технологий. Сегодня наука утверждает, что ультразвуковые волны как оружие — это фантастика.

Другое дело — использование ультразвука в мирных целях (ультразвуковая очистка, сверление отверстий, дробление камней в почках и др.). Дальше мы разберемся, как ведут себя акустические волны с большой амплитудой и интенсивностью звука.

Особенность мощных звуков

Существует понятие нелинейных эффектов. Это эффекты, свойственные только достаточно сильным волнам и зависящие от их амплитуды. В физике есть даже особый раздел, который изучает мощные волны, — нелинейная акустика. Несколько примеров того, что она исследует: гром, подводные взрывы, сейсмические волны от землетрясений. Возникают два вопроса.

• Первый: что такое сила звука?
• Второй: в чем заключаются нелинейные эффекты, что в них необычного, где их применяют?

Что такое акустическая волна

Звуковая волна — это участки сжатия-разрежения, которые расходятся по среде. В любом ее месте меняется давление. Это происходит из-за изменения степени сжатия. Перемены, накладывающиеся на исходное давление, которое было в среде, и называются звуковым давлением.

Поток звуковой энергии

Волна обладает энергией, которая деформирует среду (если звук распространяется в атмосфере, то это энергия упругой деформации воздуха). Кроме того, волна имеет кинетическую энергию молекул. Направление течения энергии совпадает с тем, в котором расходится звук. Поток энергии, проходящий за единицу времени через единичную площадку, характеризует интенсивность. Причем имеется в виду область, перпендикулярная движению волны.

Интенсивность

И интенсивность I, и акустическое давление p зависят от свойств среды. Не будем останавливаться на этих зависимостях, приведем лишь формулу интенсивности звука, связывающую p, I и характеристики среды — плотность (ρ) и скорость звука в среде (с):

I = p_0²/2ρc.

Здесь p₀ — амплитуда акустического давления.

Что же такое сильный и слабый шум? Силу (N) принято определять уровнем звукового давления — величиной, которая связана с амплитудой волны. Единица интенсивности звука — децибел (дБ).

N = 20×lg(p/p_п), дБ.

Здесь p_п — это пороговое давление, условно принятое равным 2×10^-5 Па. Давление p_п примерно соответствует интенсивности I_п = 10^-12 Вт/м² очень слабого звука, который еще может воспринять человеческое ухо в воздухе на частоте 1000 Гц. Звук тем сильнее, чем выше уровень акустического давления.

Громкость

Субъективные представления о силе звука связаны с понятием громкости, т. е. привязаны к диапазону частот, воспринимаемых ухом (см. таблицу).

А как быть, когда частота лежит за пределами этого диапазона - в области ультразвука? Именно в этой ситуации (при опытах с ультразвуком на частотах порядка 1 мегагерц) проще наблюдать в лабораторных условиях нелинейные эффекты. Делаем вывод: мощными имеет смысл называть такие акустические волны, для которых нелинейные эффекты становятся заметными.

Нелинейные эффекты

Известно, что обычная (линейная) волна, интенсивность звука которой мала, распространяется в среде, не меняя своей формы. При этом и области разрежения, и области сжатия перемещаются в пространстве с одной и той же скоростью — это и есть скорость звука в среде. Если источник порождает волну, то профиль ее остается в форме синусоиды на любом удалении от него.

В интенсивной звуковой волне картина иная: области сжатия (звуковое давление положительно) перемещаются со скоростью, превышающей скорость звука, а области разрежения — со скоростью меньшей, чем скорость звука в данной среде. В итоге профиль сильно меняется. Передние поверхности становятся очень крутыми, а спинки волны — более пологими. Такие сильные изменения формы — это и есть нелинейный эффект. Чем сильнее волна, чем большее ее амплитуда, тем быстрее искажается профиль.

Длительное время считалась возможной передача высоких плотностей энергии на большие расстояния при помощи акустического луча. Вдохновляющим примером стал лазер, способный разрушать конструкции, пробивать отверстия, находясь на большом расстоянии. Создается впечатление, что замена света на звук возможна. Однако есть трудности, из-за которых создать ультразвуковое оружие нереально.

Оказывается, что для любой дистанции существует граничное значение интенсивности звука, который доберется до цели. Чем больше расстояние, тем ниже интенсивность. И обычное затухание акустических волн при прохождении сквозь среду здесь ни при чем. Затухание заметно усиливается с увеличением частоты. Однако можно подобрать ее так, что обычным (линейным) затуханием на нужных расстояниях можно будет пренебречь. Для сигнала частотой 1 МГц в воде — это 50 м, для ультразвука достаточно большой амплитуды — это может быть всего 10 см.

Представим, что в некотором месте пространства сгенерирована волна, интенсивность звука которой такова, что на ее поведении существенно скажутся нелинейные эффекты. Амплитуда колебаний будет уменьшаться по мере удаления от источника. Это будет происходить тем скорее, чем больше начальная амплитуда p₀. При очень высоких ее значениях скорость убывания волны не зависит от величины начального сигнала p₀. Такой процесс происходит до тех пор, пока волна затухнет и нелинейные эффекты прекратятся. После этого она будет расходиться в нелинейном режиме. Дальнейшее затухание происходит по законам линейной акустики, т. е. является куда более слабым и не зависит от величины исходного возмущения.

Как же тогда ультразвук успешно используют во многих промышленных отраслях: им сверлят, очищают и т. д. При этих манипуляциях расстояние от излучателя небольшое, поэтому нелинейное затухание еще не успевает набрать обороты.

Отчего же ударные волны так сильно воздействуют на препятствия? Известно, что взрывы могут разрушать сооружения, находящиеся довольно далеко. А ведь ударная волна нелинейна, поэтому скорость затухания должна быть выше, чем у более слабых волн.

Суть вот в чем: одиночный сигнал действует не так, как периодический. Его пиковое значение уменьшается по мере удаления от источника. Увеличивая амплитуду волны (например, силу взрыва), можно добиться на заданном (пусть даже небольшом) расстоянии больших давлений на препятствие и тем самым разрушить его.