ความเข้มของเสียง ความแรง และการไหลของพลังงานเสียง

สารบัญ:

ความเข้มของเสียง ความแรง และการไหลของพลังงานเสียง
ความเข้มของเสียง ความแรง และการไหลของพลังงานเสียง
Anonim

ในนวนิยายเรื่อง "The Secret of Two Oceans" และในภาพยนตร์ผจญภัยที่มีชื่อเดียวกัน เหล่าฮีโร่ได้ทำสิ่งที่เหนือจินตนาการด้วยอาวุธอัลตราโซนิก: พวกเขาทำลายหิน ฆ่าวาฬขนาดใหญ่ และทำลายเรือของพวกมัน ศัตรู งานนี้ตีพิมพ์ย้อนกลับไปในยุค 30 ของศตวรรษที่ XX และเชื่อกันว่าในอนาคตอันใกล้นี้ การดำรงอยู่ของอาวุธอัลตราโซนิกอันทรงพลังจะเป็นไปได้ - ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องเกี่ยวกับความพร้อมของเทคโนโลยี วันนี้วิทยาศาสตร์อ้างว่าคลื่นอัลตราโซนิกเป็นอาวุธที่ยอดเยี่ยม

การใช้อัลตราซาวนด์ในอุตสาหกรรม
การใช้อัลตราซาวนด์ในอุตสาหกรรม

อีกอย่างคือการใช้อัลตราซาวนด์เพื่อความสงบ (ทำความสะอาดอัลตราโซนิก เจาะรู บดนิ่วในไต ฯลฯ) ต่อไป เราจะมาทำความเข้าใจว่าคลื่นอะคูสติกที่มีแอมพลิจูดสูงและความเข้มของเสียงมีพฤติกรรมอย่างไร

คุณสมบัติเสียงอันทรงพลัง

มีแนวคิดเรื่องเอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น นี่เป็นเอฟเฟกต์ที่แปลกประหลาดเท่านั้นพอคลื่นแรงและขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดของพวกมัน ในวิชาฟิสิกส์ มีส่วนพิเศษที่ศึกษาคลื่นทรงพลัง - อะคูสติกแบบไม่เชิงเส้น ตัวอย่างของสิ่งที่เธอตรวจสอบได้แก่ ฟ้าร้อง การระเบิดใต้น้ำ คลื่นไหวสะเทือนจากแผ่นดินไหว เกิดคำถามสองข้อ

  • อย่างแรก: พลังของเสียงคืออะไร
  • วินาที: เอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้นคืออะไร มีอะไรผิดปกติเกี่ยวกับพวกเขา ใช้ที่ไหน

คลื่นเสียงคืออะไร

การอัดอากาศและการทำให้บริสุทธิ์
การอัดอากาศและการทำให้บริสุทธิ์

คลื่นเสียงเป็นส่วนหนึ่งของการบีบอัด-rarefaction ที่แตกต่างกันในตัวกลาง ในสถานที่ใด ๆ ความดันจะเปลี่ยนไป นี่เป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงในอัตราส่วนการอัด การเปลี่ยนแปลงที่ซ้อนทับกับแรงดันเริ่มต้นที่อยู่ในสิ่งแวดล้อมเรียกว่าแรงดันเสียง

โซนิคพลังงานโฟลว์

คลื่นมีพลังงานที่ทำให้ตัวกลางเสียรูป (หากเสียงแพร่กระจายในบรรยากาศ แสดงว่าพลังงานนี้เป็นพลังงานของการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นของอากาศ) นอกจากนี้คลื่นยังมีพลังงานจลน์ของโมเลกุลอีกด้วย ทิศทางการไหลของพลังงานตรงกับทิศทางที่เสียงแตกต่างกัน การไหลของพลังงานที่ไหลผ่านพื้นที่หนึ่งหน่วยต่อเวลาหนึ่งหน่วยแสดงถึงความเข้ม และนี่หมายถึงพื้นที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น

ความเข้ม

ทั้งความเข้ม I และแรงดันเสียง p ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสื่อ เราจะไม่ยึดติดกับการพึ่งพาเหล่านี้ เราจะให้เฉพาะสูตรความเข้มของเสียงที่เกี่ยวข้องกับ p, I และลักษณะของสื่อ - ความหนาแน่น (ρ) และความเร็วของเสียงในตัวกลาง (c):

I=p02/2ρc.

ที่นี่p0 - แอมพลิจูดของแรงดันเสียง

เสียงเข้มมาก
เสียงเข้มมาก

เสียงเบาและแรงคืออะไร? แรง (N) มักจะถูกกำหนดโดยระดับความดันเสียง ซึ่งเป็นค่าที่เกี่ยวข้องกับแอมพลิจูดของคลื่น หน่วยของความเข้มเสียงคือเดซิเบล (dB).

N=20×lg(p/pp), dB.

ที่นี่ pp คือความดันเกณฑ์ที่ถ่ายแบบมีเงื่อนไขเท่ากับ 2×10-5 Pa ความกดดัน pp ประมาณเท่ากับความรุนแรง Ip=10-12 W/m2 เป็นเสียงที่แผ่วเบามากซึ่งหูมนุษย์ยังสามารถรับรู้ได้ในอากาศที่ความถี่ 1,000 เฮิรตซ์ เสียงจะยิ่งเข้มขึ้นตามระดับความดันเสียงที่สูงขึ้น

ปริมาณ

ความคิดเฉพาะตัวเกี่ยวกับความแรงของเสียงสัมพันธ์กับแนวคิดเรื่องความดัง กล่าวคือ พวกมันเชื่อมโยงกับช่วงความถี่ที่หูรับรู้ (ดูตาราง)

ระดับความดังของเสียง
ระดับความดังของเสียง

แล้วเมื่อความถี่อยู่นอกช่วงนี้ - ในด้านอัลตราซาวนด์ล่ะ? อยู่ในสถานการณ์นี้ (ระหว่างการทดลองด้วยอัลตราซาวนด์ที่ความถี่ 1 เมกะเฮิรตซ์) ซึ่งง่ายต่อการสังเกตผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นภายใต้สภาวะของห้องปฏิบัติการ เราสรุปได้ว่าควรเรียกคลื่นเสียงทรงพลังที่เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นสามารถสังเกตเห็นได้ชัดเจน

เอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าคลื่นธรรมดา (เชิงเส้น) ซึ่งมีความเข้มของเสียงต่ำ แพร่กระจายในตัวกลางโดยไม่เปลี่ยนรูปร่าง ในกรณีนี้ ทั้งบริเวณ rarefaction และการบีบอัดจะเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็วเท่ากัน ซึ่งเป็นความเร็วของเสียงในตัวกลาง ถ้าต้นทางสร้างคลื่น จากนั้นโปรไฟล์จะยังคงอยู่ในรูปของไซนูซอยด์ที่ระยะห่างจากคลื่น

ในคลื่นเสียงที่เข้มข้น รูปภาพจะต่างออกไป: พื้นที่ของการบีบอัด (แรงดันเสียงเป็นบวก) เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เกินความเร็วของเสียง และพื้นที่ที่มีความหายาก - ด้วยความเร็วที่น้อยกว่าความเร็วของเสียงใน สื่อที่กำหนด ส่งผลให้โปรไฟล์เปลี่ยนไปมาก พื้นผิวด้านหน้ามีความชันมาก และคลื่นด้านหลังกลับนุ่มนวลขึ้น การเปลี่ยนแปลงรูปร่างที่รุนแรงดังกล่าวเป็นผลที่ไม่เป็นเชิงเส้น ยิ่งคลื่นแรง แอมพลิจูดยิ่งสูง โปรไฟล์ก็จะบิดเบี้ยวเร็วขึ้น

ถือว่าสามารถส่งสัญญาณความหนาแน่นพลังงานสูงในระยะทางไกลโดยใช้ลำแสงอะคูสติกมาเป็นเวลานาน ตัวอย่างที่สร้างแรงบันดาลใจคือเลเซอร์ที่สามารถทำลายโครงสร้าง เจาะรู ได้ในระยะไกล ดูเหมือนว่าสามารถเปลี่ยนแสงด้วยเสียงได้ อย่างไรก็ตาม มีปัญหาที่ทำให้ไม่สามารถสร้างอาวุธอัลตราโซนิกได้

ปรากฎว่าทุกระยะทางมีค่าขอบเขตสำหรับความเข้มของเสียงที่จะไปถึงเป้าหมาย ยิ่งระยะห่างมาก ความเข้มข้นก็จะยิ่งต่ำลง และการลดทอนของคลื่นเสียงตามปกติเมื่อผ่านตัวกลางไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับมัน การลดทอนเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามสามารถเลือกได้เพื่อไม่ให้การลดทอนตามปกติ (เชิงเส้น) ในระยะทางที่ต้องการ สำหรับสัญญาณที่มีความถี่ 1 MHz ในน้ำ นี่คือ 50 ม. สำหรับอัลตราซาวนด์ที่มีแอมพลิจูดขนาดใหญ่เพียงพอ จะมีความยาวได้เพียง 10 ซม.

ลองนึกภาพว่ามีคลื่นเกิดขึ้นในที่ใดที่หนึ่งในอวกาศ ความเข้มข้นเสียงที่เอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้นจะส่งผลต่อพฤติกรรมของมันอย่างมาก แอมพลิจูดการแกว่งจะลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิด สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเร็วกว่านี้ แอมพลิจูดเริ่มต้นยิ่งมากขึ้น p0 ที่ค่าที่สูงมาก อัตราการสลายตัวของคลื่นจะไม่ขึ้นอยู่กับค่าของสัญญาณเริ่มต้น p0 กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าคลื่นจะสลายตัวและผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นหยุดลง หลังจากนั้นจะแยกออกเป็นโหมดไม่เชิงเส้น การลดทอนเพิ่มเติมเกิดขึ้นตามกฎของอะคูสติกเชิงเส้น กล่าวคือ อ่อนกว่ามากและไม่ขึ้นอยู่กับขนาดของการรบกวนในช่วงเริ่มต้น

แล้วจะใช้อัลตราซาวนด์ได้อย่างไรในหลายอุตสาหกรรม: เจาะ ทำความสะอาด ฯลฯ ด้วยการปรับแต่งเหล่านี้ ระยะห่างจากอีซีแอลจึงน้อย ดังนั้นการลดทอนแบบไม่เชิงเส้นจึงยังไม่มีเวลาที่จะได้รับโมเมนตัม

คลื่นเสียงกระแทก
คลื่นเสียงกระแทก

เหตุใดคลื่นกระแทกจึงส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อสิ่งกีดขวาง? เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการระเบิดสามารถทำลายโครงสร้างที่อยู่ห่างไกลออกไปได้ แต่คลื่นกระแทกไม่เป็นเชิงเส้น ดังนั้นอัตราการสลายต้องสูงกว่าคลื่นที่อ่อนกว่า

บรรทัดล่างคือ: สัญญาณเดียวไม่ทำหน้าที่เหมือนสัญญาณเป็นระยะ ค่าสูงสุดของมันลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิด โดยการเพิ่มแอมพลิจูดของคลื่น (เช่น ความแรงของการระเบิด) เป็นไปได้ที่จะบรรลุแรงกดดันมหาศาลบนสิ่งกีดขวางที่ระยะห่างที่กำหนด (แม้ว่าจะเล็ก) และด้วยเหตุนี้จึงทำลายมัน