En la novela "El secreto de dos océanos" y en la película de aventuras del mismo nombre, los héroes hicieron cosas inimaginables con armas ultrasónicas: destruyeron una roca, mataron una enorme ballena y destruyeron el barco de su enemigos. El trabajo se publicó en los años 30 del siglo XX, y luego se creía que en un futuro cercano sería posible la existencia de una poderosa arma ultrasónica: todo se trata de la disponibilidad de tecnología. Hoy en día, la ciencia afirma que las ondas ultrasónicas como armas son fantásticas.
Otra cosa es el uso de ultrasonidos con fines pacíficos (limpieza ultrasónica, perforaciones, trituración de cálculos renales, etc.). A continuación, entenderemos cómo se comportan las ondas acústicas de gran amplitud e intensidad sonora.
Función de sonidos potentes
Hay un concepto de efectos no lineales. Estos son efectos peculiares solo lo suficientementeoleaje fuerte y dependiendo de su amplitud. En física, incluso hay una sección especial que estudia ondas poderosas: acústica no lineal. Algunos ejemplos de lo que investiga son los truenos, las explosiones submarinas, las ondas sísmicas de los terremotos. Surgen dos preguntas.
- Primero: ¿cuál es el poder del sonido?
- Segundo: ¿Qué son los efectos no lineales, qué tienen de inusual, dónde se usan?
Qué es una onda acústica
Una onda sonora es una sección de compresión-rarefacción que diverge en el medio. En cualquiera de sus lugares, la presión cambia. Esto se debe a un cambio en la relación de compresión. Los cambios superpuestos a la presión inicial que había en el ambiente se denominan presión sonora.
Flujo de energía sónica
Una onda tiene energía que deforma el medio (si el sonido se propaga en la atmósfera, entonces esta es la energía de deformación elástica del aire). Además, la onda tiene la energía cinética de las moléculas. La dirección del flujo de energía coincide con aquella en la que diverge el sonido. El flujo de energía que pasa a través de una unidad de área por unidad de tiempo caracteriza la intensidad. Y esto se refiere al área perpendicular al movimiento de la onda.
Intensidad
Tanto la intensidad I como la presión acústica p dependen de las propiedades del medio. No nos detendremos en estas dependencias, solo daremos la fórmula de intensidad del sonido que relaciona p, I y las características del medio: la densidad (ρ) y la velocidad del sonido en el medio (c):
I=p02/2ρc.
Aquíp0 - amplitud de la presión acústica.
¿Qué es un ruido fuerte y débil? La fuerza (N) generalmente está determinada por el nivel de presión del sonido, un valor que está asociado con la amplitud de la onda. La unidad de intensidad del sonido es el decibelio (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Aquí pp es el umbral de presión tomado condicionalmente igual a 2×10-5 Pa. La presión pp corresponde aproximadamente a la intensidad Ip=10-12 W/m2 es un sonido muy débil que aún puede ser percibido por el oído humano en el aire a una frecuencia de 1000 Hz. El sonido es más fuerte cuanto mayor sea el nivel de presión acústica.
Volumen
Las ideas subjetivas sobre la fuerza del sonido están asociadas con el concepto de sonoridad, es decir, están ligadas al rango de frecuencia percibido por el oído (ver tabla).
¿Y qué sucede cuando la frecuencia se encuentra fuera de este rango, en el campo de los ultrasonidos? Es en esta situación (durante experimentos con ultrasonidos a frecuencias del orden de 1 megahertz) que es más fácil observar efectos no lineales en condiciones de laboratorio. Concluimos que tiene sentido llamar ondas acústicas poderosas para las cuales los efectos no lineales se vuelven perceptibles.
Efectos no lineales
Se sabe que una onda ordinaria (lineal), cuya intensidad de sonido es baja, se propaga en un medio sin cambiar su forma. En este caso, tanto las regiones de rarefacción como las de compresión se mueven en el espacio a la misma velocidad: esta es la velocidad del sonido en el medio. si la fuentegenera una onda, entonces su perfil permanece en forma de sinusoide a cualquier distancia de ella.
En una onda de sonido intensa, la imagen es diferente: las áreas de compresión (la presión del sonido es positiva) se mueven a una velocidad superior a la del sonido y las áreas de rarefacción, a una velocidad inferior a la del sonido en un medio dado. Como resultado, el perfil cambia mucho. Las superficies frontales se vuelven muy empinadas y las partes posteriores de la ola se vuelven más suaves. Tales cambios de forma tan fuertes son el efecto no lineal. Cuanto más fuerte es la onda, mayor es su amplitud, más rápido se distorsiona el perfil.
Durante mucho tiempo se consideró posible transmitir altas densidades de energía a largas distancias utilizando un haz acústico. Un ejemplo inspirador fue un láser capaz de destruir estructuras, perforar agujeros, estar a una gran distancia. Parece que la sustitución de la luz por el sonido es posible. Sin embargo, existen dificultades que hacen que sea imposible crear un arma ultrasónica.
Resulta que para cualquier distancia existe un valor límite para la intensidad del sonido que llegará al objetivo. A mayor distancia, menor intensidad. Y la habitual atenuación de las ondas acústicas al atravesar el medio no tiene nada que ver. La atenuación aumenta notablemente con el aumento de la frecuencia. Sin embargo, se puede elegir de manera que se desprecie la atenuación habitual (lineal) a las distancias requeridas. Para una señal con una frecuencia de 1 MHz en el agua, esto es 50 m, para ultrasonido de una amplitud suficientemente grande, puede ser solo 10 cm.
Imaginemos que se genera una onda en algún lugar del espacio, la intensidadcuyo sonido es tal que los efectos no lineales afectarán significativamente su comportamiento. La amplitud de la oscilación disminuirá con la distancia desde la fuente. Esto ocurrirá cuanto antes, mayor sea la amplitud inicial p0. A valores muy altos, la tasa de caída de la onda no depende del valor de la señal inicial p0. Este proceso continúa hasta que la onda decae y los efectos no lineales se detienen. Después de eso, divergerá en un modo no lineal. Se produce una mayor atenuación de acuerdo con las leyes de la acústica lineal, es decir, es mucho más débil y no depende de la magnitud de la perturbación inicial.
Entonces, ¿cómo se utilizan con éxito los ultrasonidos en muchas industrias: se perforan, se limpian, etc.? Con estas manipulaciones, la distancia desde el emisor es pequeña, por lo que la atenuación no lineal aún no ha tenido tiempo de ganar impulso.
¿Por qué las ondas de choque tienen un efecto tan fuerte sobre los obstáculos? Se sabe que las explosiones pueden destruir estructuras ubicadas bastante lejos. Pero la onda de choque no es lineal, por lo que la tasa de caída debe ser mayor que la de las ondas más débiles.
La conclusión es esta: una sola señal no actúa como una señal periódica. Su valor máximo disminuye con la distancia a la fuente. Al aumentar la amplitud de la onda (por ejemplo, la fuerza de la explosión), es posible lograr grandes presiones sobre el obstáculo a una distancia determinada (aunque sea pequeña) y destruirlo.
