No romance "O Segredo de Dois Oceanos" e no filme de aventura de mesmo nome, os heróis fizeram coisas inimagináveis com armas ultrassônicas: destruíram uma rocha, mataram uma enorme baleia e destruíram o navio de seus inimigos. O trabalho foi publicado nos anos 30 do século XX, e então acreditava-se que em um futuro próximo a existência de uma poderosa arma ultrassônica se tornaria possível - é tudo sobre a disponibilidade de tecnologia. Hoje, a ciência afirma que as ondas ultrassônicas como armas são fantásticas.
Outra coisa é o uso do ultrassom para fins pacíficos (limpeza ultrassônica, furos, esmagamento de cálculos renais, etc.). A seguir, vamos entender como se comportam as ondas acústicas de grande amplitude e intensidade sonora.
Recurso de sons poderosos
Existe um conceito de efeitos não lineares. Estes são efeitos peculiares apenas o suficienteondas fortes e dependendo de sua amplitude. Em física, existe até uma seção especial que estuda ondas poderosas - acústica não linear. Alguns exemplos do que ela investiga são trovões, explosões submarinas, ondas sísmicas de terremotos. Duas questões surgem.
- Primeiro: qual é o poder do som?
- Segundo: o que são efeitos não lineares, o que há de incomum neles, onde são usados?
O que é uma onda acústica
Uma onda sonora é uma seção de compressão-rarefação que diverge no meio. Em qualquer um de seus lugares, a pressão muda. Isto é devido a uma mudança na taxa de compressão. As mudanças sobrepostas à pressão inicial que estava no ambiente são chamadas de pressão sonora.
Fluxo de energia sônica
Uma onda tem energia que deforma o meio (se o som se propaga na atmosfera, então esta é a energia de deformação elástica do ar). Além disso, a onda tem a energia cinética das moléculas. A direção do fluxo de energia coincide com aquela em que o som diverge. O fluxo de energia que passa por uma unidade de área por unidade de tempo caracteriza a intensidade. E isso se refere à área perpendicular ao movimento da onda.
Intensidade
Tanto a intensidade I quanto a pressão acústica p dependem das propriedades do meio. Não nos deteremos nessas dependências, apenas daremos a fórmula da intensidade do som relacionando p, I e as características do meio - a densidade (ρ) e a velocidade do som no meio (c):
I=p02/2ρc.
Aquip0 - amplitude de pressão acústica.
O que é ruído forte e fraco? A força (N) é normalmente determinada pelo nível de pressão sonora - valor que está associado à amplitude da onda. A unidade de intensidade do som é o decibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Aqui pp é a pressão limite tomada condicionalmente igual a 2×10-5 Pa. Pressão pp corresponde aproximadamente à intensidade Ip=10-12 W/m2 é um som muito fraco que ainda pode ser percebido pelo ouvido humano no ar na frequência de 1000 Hz. O som é mais forte quanto maior o nível de pressão acústica.
Volume
As ideias subjetivas sobre a força do som estão associadas ao conceito de loudness, ou seja, estão vinculadas à faixa de frequência percebida pelo ouvido (ver tabela).
E quando a frequência estiver fora dessa faixa - no campo do ultrassom? É nesta situação (durante experimentos com ultra-som em frequências da ordem de 1 megahertz) que é mais fácil observar efeitos não lineares em condições de laboratório. Concluímos que faz sentido chamar ondas acústicas poderosas para as quais efeitos não lineares se tornam perceptíveis.
Efeitos não lineares
Sabe-se que uma onda comum (linear), cuja intensidade sonora é baixa, se propaga em um meio sem alterar sua forma. Nesse caso, as regiões de rarefação e compressão se movem no espaço na mesma velocidade - essa é a velocidade do som no meio. Se a fontegera uma onda, então seu perfil permanece na forma de uma senóide a qualquer distância dela.
Em uma onda sonora intensa, o quadro é diferente: áreas de compressão (a pressão sonora é positiva) se movem a uma velocidade superior à velocidade do som e áreas de rarefação - a uma velocidade menor que a velocidade do som em um determinado meio. Como resultado, o perfil muda muito. As superfícies frontais tornam-se muito íngremes e as costas da onda tornam-se mais suaves. Essas fortes mudanças de forma são o efeito não linear. Quanto mais forte a onda, maior sua amplitude, mais rápido o perfil é distorcido.
Por muito tempo foi considerado possível transmitir altas densidades de energia a longas distâncias usando um feixe acústico. Um exemplo inspirador foi um laser capaz de destruir estruturas, fazer furos, estando a grande distância. Parece que a substituição da luz pelo som é possível. No entanto, existem dificuldades que impossibilitam a criação de uma arma ultrassônica.
Acontece que para qualquer distância existe um valor limite para a intensidade do som que atingirá o alvo. Quanto maior a distância, menor a intensidade. E a atenuação usual das ondas acústicas ao passar pelo meio não tem nada a ver com isso. A atenuação aumenta acentuadamente com o aumento da frequência. No entanto, pode ser escolhido de modo que a atenuação usual (linear) nas distâncias requeridas possa ser desprezada. Para um sinal com uma frequência de 1 MHz na água, isso é 50 m, para ultrassom de amplitude suficientemente grande, pode ser apenas 10 cm.
Vamos imaginar que uma onda é gerada em algum lugar do espaço, a intensidadecujo som é tal que efeitos não lineares afetarão significativamente seu comportamento. A amplitude de oscilação diminuirá com a distância da fonte. Isso acontecerá quanto mais cedo, maior a amplitude inicial p0. Em valores muito altos, a taxa de decaimento da onda não depende do valor do sinal inicial p0. Este processo continua até que a onda decaia e os efeitos não lineares param. Depois disso, ele irá divergir em um modo não linear. A atenuação adicional ocorre de acordo com as leis da acústica linear, ou seja, é muito mais fraca e não depende da magnitude da perturbação inicial.
Como então o ultrassom é usado com sucesso em muitas indústrias: eles são perfurados, limpos, etc. Com essas manipulações, a distância do emissor é pequena, então a atenuação não linear ainda não teve tempo de ganhar impulso.
Por que as ondas de choque têm um efeito tão forte sobre os obstáculos? Sabe-se que as explosões podem destruir estruturas localizadas bem distantes. Mas a onda de choque não é linear, então a taxa de decaimento deve ser maior que a de ondas mais fracas.
A linha de fundo é esta: um único sinal não age como um sinal periódico. Seu valor de pico diminui com a distância da fonte. Ao aumentar a amplitude da onda (por exemplo, a força da explosão), é possível atingir grandes pressões sobre o obstáculo a uma determinada distância (mesmo que pequena) e assim destruí-lo.
