О звуковом синтезе, или синтезе с помощью ультразвука
Звуковой синтез
20 августа 2005 года
Вы, наверное, знаете, как летает самолёт. Если нет, прочитайте "А если бы мы могли летать?", иначе "Аспири-сдув". На верхней части крыла образуется пониженное давление, так называемый "верхний профиль".
Крыло самолёта
Кстати, какова величина этого пониженного давления на поверхности крыла? Возьмём небольшой туристический самолёт, одноместный. Предположим, что его полная масса составляет 300 килограммов, а площадь крыла — 18 квадратных метров. Это даёт нагрузку на крыло 16 килограммов на квадратный метр, или 1,6 грамма на квадратный сантиметр. Атмосферное давление на уровне земли составляет около 1000 граммов на квадратный сантиметр, поэтому средняя разница давлений между верхней и нижней сторонами крыла составляет несколько миллибар. Именно поэтому можно летать на самолётах с тканевыми крыльями, и не рекомендуется ступать на крыло, кроме специально отведённых мест — иначе вы провалитесь сквозь него.
А что происходит в воде? Вода в тысячу раз плотнее воздуха. При той же скорости можно "летать в воде" с помощью "крыльев" намного меньших размеров. Их называют "фойлами".
Крылья и фойлы
Если мы можем держаться на столь малых поверхностях, то это потому, что колебания давления здесь намного больше. Представим, что эти фойлы движутся очень близко к поверхности жидкости, то есть в среде, где давление приближается к одному килограмму на квадратный сантиметр. Лодка справа будет держаться на воде благодаря гораздо большим перепадам давления, чем те, что наблюдаются вокруг профиля крыла самолёта. Именно поэтому фойлы не покрыты тканью, а изготавливаются из прочной и твёрдой стали.
А почему, кстати, на верхней стороне крыла образуется пониженное давление? В воде это понятнее. Жидкая масса ударяется о профиль в точке остановки, а затем снова ускоряется. При этом она приобретает дополнительную скорость и испытывает также влияние центробежной силы.
Что происходит, когда жидкость подвергается пониженному давлению? Мы можем продемонстрировать это с помощью цилиндра и поршня. Если, вытягивая поршень, мы понизим давление в жидкости до значения, меньшего, чем давление насыщенных паров при данной температуре, то образуются пузырьки (маленькие). Они не имеют ничего общего с пузырьками шампанского, которые свидетельствуют о наличии растворённых газов в напитке. Эти пузырьки заполнены водяным паром. Это явление называется кавитацией.
Явление кавитации
Вот фотография этого явления, вызванного в цилиндре.
Пузырьки кавитации
В 1917 году Британское адмиралтейство пригласило физика Уильяма Стратта, известного как лорд Рэли, с целью обсудить странную проблему. Винты из бронзы кораблей Его Величества были повреждены — покрыты мелкими отверстиями, хотя были почти новыми. Адмиралы задавались вопросом, может ли море содержать паразитов, способных атаковать металл винтов. Ниже — более поздняя фотография, демонстрирующая разрушительные последствия кавитации на лопастях центробежного насоса.
Повреждения от кавитации на центробежном насосе. Довольно впечатляюще, верно?
Вот увеличенное изображение, показывающее "пятна" на металле.
Повреждения от кавитации на бронзовой лопасти.
В отличие от первоначального предположения британских адмиралов, речь не шла о неизвестных гидропчёлках. Лорд Рэли провёл несколько расчётов и предоставил объяснение. На лопастях их винтов образовывались настолько сильные пониженные давления, что локально давление падало ниже давления насыщенных паров воды. Вода локально закипала. Важный момент: каково давление насыщенных паров воды при комнатной температуре?
Ответ: несколько паскалей, то есть одна сотая миллибара. Перепады давления, возникающие вокруг лопастей в гидравлических системах, чрезвычайно велики. Именно поэтому мы можем приводить в движение моторную лодку с помощью объекта, настолько незначительного, как винт. Вот лопасть винта во время вращения. Стрелка указывает на наличие пузырьков водяного пара, соответствующих явлению кавитации.
Кавитация у передней кромки вращающейся лопасти винта.
Виден поток мелких пузырьков водяного пара, возникающих у кромки лопасти. Однако их происхождение имеет другую природу. Оно связано с краевым вихрем и напоминает конденсационные следы, образующиеся на концах крыльев самолётов. Здесь мы не будем на этом останавливаться. Рассмотрим изменение давления вдоль верхней поверхности лопасти винта:
Изменение давления вдоль верхней поверхности лопасти винта
Кривая является лишь схематичной. Видно, что вдоль хорды профиля давление быстро падает. Когда оно становится ниже давления насыщенных паров жидкости — воды — появляются пузырьки, которые растут по мере дальнейшего падения давления. Даже если последующая часть профиля остаётся в зоне пониженного давления по сравнению с атмосферным, давление в конце концов начинает расти и становится снова выше давления насыщенных паров в воде. Тогда водяной пар начинает исчезать, что видно на фотографии.
Все знают, что в гидродинамике процессы расширения и сжатия происходят по-разному. Когда давление начинает расти, стенка пузырька ведёт себя как сферический поршень, действующий на газ, конкурируя с водяным паром. Если скорость схлопывания пузырька превышает скорость звука в паровой массе (а она превышает), то возникает сферическая ударная волна, которая сходится к геометрическому центру объекта, перенося с собой значительную энергию, достаточную для образования "пятен" на металле лопасти и, в конечном счёте, для причинения разрушений, подобных тем, что мы видели на лопастях насоса выше.
Объяснение повреждений, вызванных кавитацией.
Известны так называемые "полые заряды". В этом случае взрывчатое вещество поджигается по всей поверхности конической стенки (с использованием взрывчатки с очень высокой скоростью распространения). Поверхность конуса излучает очень сильную ударную волну, энергия которой фокусируется вдоль оси системы. Образуется "игла", способная пробить стальную броню толщиной порядка диаметра конуса (но игла создаёт отверстие намного меньшего диаметра). Схлопывание пузыря, как отмечал мне Кристоф Тарди, напоминает фокусировку энергии, переносимой сферической ударной волной. Если бы мы создали полые заряды, основанные не на конических, а на сферических полостях, мы могли бы сконцентрировать огромную энергию в центре сферы, в точке фокусировки. Именно это происходит при кавитации.
Как мы уже сказали, явление кавитации было открыто в 1917 году. В 1930 году удалось генерировать ультразвук достаточно интенсивно. В 1934 году в университете Кёльна возникло новое явление, которое сильно озадачило физиков. Когда жидкость, например вода, подвергалась воздействию ультразвука, она начинала излучать... свет. Это явление получило название сонолюминесценция.
В тот момент...