Dans le roman "Le secret des deux océans" et dans le film d'aventure du même nom, les héros ont fait des choses inimaginables avec des armes à ultrasons: ils ont détruit un rocher, tué une énorme baleine et détruit le navire de leur ennemis. Le travail a été publié dans les années 30 du XXe siècle, puis on pensait que dans un avenir proche, l'existence d'une puissante arme à ultrasons deviendrait possible - tout dépend de la disponibilité de la technologie. Aujourd'hui, la science affirme que les ondes ultrasonores comme armes sont fantastiques.
Une autre chose est l'utilisation des ultrasons à des fins pacifiques (nettoyage par ultrasons, perçage de trous, écrasement de calculs rénaux, etc.). Ensuite, nous comprendrons comment se comportent les ondes acoustiques de grande amplitude et intensité sonore.
Fonctionnalité de sons puissants
Il existe un concept d'effets non linéaires. Ce sont des effets assez particuliersvagues fortes et en fonction de leur amplitude. En physique, il existe même une section spéciale qui étudie les ondes puissantes - l'acoustique non linéaire. Quelques exemples de ce qu'elle étudie sont le tonnerre, les explosions sous-marines, les ondes sismiques des tremblements de terre. Deux questions se posent.
- Premièrement: quel est le pouvoir du son ?
- Second: que sont les effets non linéaires, qu'est-ce qu'ils ont d'inhabituel, où sont-ils utilisés ?
Qu'est-ce qu'une onde acoustique
Une onde sonore est une section de compression-raréfaction qui diverge dans le milieu. Dans n'importe lequel de ses endroits, la pression change. Cela est dû à une modification du taux de compression. Les changements superposés à la pression initiale qui régnait dans l'environnement sont appelés pression acoustique.
Flux d'énergie sonique
Une onde a une énergie qui déforme le milieu (si le son se propage dans l'atmosphère, alors c'est l'énergie de déformation élastique de l'air). De plus, l'onde possède l'énergie cinétique des molécules. La direction du flux d'énergie coïncide avec celle dans laquelle le son diverge. Le flux d'énergie traversant une unité de surface par unité de temps caractérise l'intensité. Et cela fait référence à la zone perpendiculaire au mouvement de la vague.
Intensité
L'intensité I et la pression acoustique p dépendent des propriétés du milieu. Nous ne nous attarderons pas sur ces dépendances, nous donnerons seulement la formule d'intensité sonore reliant p, I et les caractéristiques du milieu - la densité (ρ) et la vitesse du son dans le milieu (c):
I=p02/2ρc.
Icip0 - amplitude de la pression acoustique.
Qu'est-ce qu'un bruit fort et faible ? La force (N) est généralement déterminée par le niveau de pression acoustique - une valeur associée à l'amplitude de l'onde. L'unité d'intensité sonore est le décibel (dB).
N=20×lg(p/pp), dB.
Ici pp est la pression de seuil prise conditionnellement égale à 2×10-5 Pa. La pression pp correspond approximativement à l'intensité Ip=10-12 W/m2 est un son très faible qui peut encore être perçu par l'oreille humaine dans l'air à une fréquence de 1000 Hz. Le son est d'autant plus fort que le niveau de pression acoustique est élevé.
Volume
Les idées subjectives sur la force du son sont associées au concept d'intensité, c'est-à-dire qu'elles sont liées à la gamme de fréquences perçue par l'oreille (voir tableau).
Et qu'en est-il lorsque la fréquence se situe en dehors de cette plage - dans le domaine des ultrasons ? C'est dans cette situation (lors d'expériences avec des ultrasons à des fréquences de l'ordre de 1 mégahertz) qu'il est plus facile d'observer des effets non linéaires dans des conditions de laboratoire. Nous concluons qu'il est logique d'appeler des ondes acoustiques puissantes pour lesquelles les effets non linéaires deviennent perceptibles.
Effets non linéaires
On sait qu'une onde ordinaire (linéaire), dont l'intensité sonore est faible, se propage dans un milieu sans changer de forme. Dans ce cas, les régions de raréfaction et de compression se déplacent dans l'espace à la même vitesse - c'est la vitesse du son dans le milieu. Si la sourcegénère une onde, alors son profil reste sous la forme d'une sinusoïde à n'importe quelle distance de celle-ci.
Dans une onde sonore intense, le tableau est différent: les zones de compression (la pression acoustique est positive) se déplacent à une vitesse supérieure à la vitesse du son, et les zones de raréfaction - à une vitesse inférieure à la vitesse du son dans un milieu donné. En conséquence, le profil change beaucoup. Les surfaces avant deviennent très raides et les arrières de la vague deviennent plus doux. Ces changements de forme importants sont l'effet non linéaire. Plus l'onde est forte, plus son amplitude est grande, plus le profil est déformé rapidement.
Pendant longtemps, on a considéré qu'il était possible de transmettre des densités d'énergie élevées sur de longues distances à l'aide d'un faisceau acoustique. Un exemple inspirant était un laser capable de détruire des structures, de percer des trous, étant à une grande distance. Il semble que le remplacement de la lumière par le son soit possible. Cependant, il existe des difficultés qui rendent impossible la création d'une arme à ultrasons.
Il s'avère que pour toute distance, il existe une valeur limite pour l'intensité du son qui atteindra la cible. Plus la distance est grande, plus l'intensité est faible. Et l'atténuation habituelle des ondes acoustiques lors du passage dans le milieu n'y est pour rien. L'atténuation augmente nettement avec l'augmentation de la fréquence. Cependant, il peut être choisi de sorte que l'atténuation habituelle (linéaire) aux distances requises puisse être négligée. Pour un signal d'une fréquence de 1 MHz dans l'eau, c'est 50 m, pour des ultrasons d'amplitude suffisamment grande, cela ne peut être que de 10 cm.
Imaginons qu'une onde soit générée à un endroit quelconque de l'espace, l'intensitédont le son est tel que des effets non linéaires affecteront significativement son comportement. L'amplitude d'oscillation diminuera avec la distance de la source. Cela se produira plus tôt, plus l'amplitude initiale p0 sera grande. Aux valeurs très élevées, le taux de décroissance de l'onde ne dépend pas de la valeur du signal initial p0. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que l'onde se désintègre et que les effets non linéaires cessent. Après cela, il divergera dans un mode non linéaire. Une atténuation supplémentaire se produit selon les lois de l'acoustique linéaire, c'est-à-dire qu'elle est beaucoup plus faible et ne dépend pas de l'ampleur de la perturbation initiale.
Comment alors les ultrasons sont-ils utilisés avec succès dans de nombreuses industries: ils sont forés, nettoyés, etc. Avec ces manipulations, la distance de l'émetteur est faible, de sorte que l'atténuation non linéaire n'a pas encore eu le temps de prendre de l'ampleur.
Pourquoi les ondes de choc ont-elles un tel effet sur les obstacles ? On sait que les explosions peuvent détruire des structures situées assez loin. Mais l'onde de choc n'est pas linéaire, donc le taux de décroissance doit être supérieur à celui des ondes plus faibles.
L'essentiel est le suivant: un signal unique n'agit pas comme un signal périodique. Sa valeur de crête diminue avec la distance à la source. En augmentant l'amplitude de l'onde (par exemple, la force de l'explosion), il est possible d'exercer de fortes pressions sur l'obstacle à une distance donnée (même petite) et ainsi de le détruire.
