Netiesinė akustika, arba ko apie bangas nemokė mokykloje

Banguoti gali ir dujos ar kieti kūnai. Regima šviesa, mikrobangos ir rentgeno spinduliai taip pat yra bangos, tik šiuo atveju banguoja mus supantis elektromagnetinis laukas. Kvantinės fizikos dėka žinome, kad netgi elementariosios dalelės, tokios, kaip elektronai, toli gražu nėra kieti materijos kamuoliukai- jos taip pat pasižymi bangų savybėmis.

Dėl labai didelės banginių reiškinių įvairovės, išsivystė daug skirtingų, specializuotų fizikos šakų. Kiekviena iš jų tiria tam tikros rūšies bangų savybes ir jų sukeliamus reiškinius. Akustikos mokslas yra fizikos šaka, nagrinėjanti įvairių dažnių bangas dujose, skysčiuose ir kietuose kūnuose. Šio mokslo pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio „akoustos“, reiškiančio „girdimas“. Juk tam tikro dažnio bangas, sklindančias oru, arba vandeniu, mes galime pajusti savo ausimis. Tokius virpesius vadiname girdimu garsu. Šiame straipsnyje mes kalbėsime būtent apie akustines bangas.

Reikėtų paminėti, kad ne visos bangos, kurios pasiekia mūsų ausis, yra girdimos. Žmogus gali girdėti tik tokias bangas, kurių dažniai patenka į intervalą nuo 20 Hz iki 20 KHz. Kiekvieną dieną mus supa ir tokie virpesiai, kurių išgirsti mes tiesiog negalime. Pavyzdžiui, žemės drebėjimai ar jūros bangavimas sukelia oro virpesius, kurių dažnis mažesnis, negu 20 Hz. Toks garsas vadinamas infragarsu. Nemažai mechaninių įrenginių skleidžia didesnio, nei 20 KHz dažnio virpesius, toks garsas vadinamas ultragarsu.

Su bangomis, kaip fizikiniu ir matematiniu objektu, susipažįstama dar mokykloje, fizikos pamokų metu. Taigi, remdamiesi turimomis žiniomis ir sveiku protu, turbūt per daug nesiginčytumėte, jeigu kas nors teigtų, kad bangoms keliaujant per tam tikrą terpę, jų forma nesikeičia (jei nekreipsime dėmesio į slopimą ir dispersiją)(1 pav.)

.

Pav. 1. Tiesinė harmoninė banga sklinda terpe nekeisdama savo formos.

O kas atsitiks, jeigu susitiks dvi bangos? Mokykloje įgytos fizikos žinios mums sufleruoja, kad jos persidengs viena su kita ir galėsime stebėti interferencijos reiškinį (2 pav.).

Pav. 2. Bangų interferencija.

Visgi, aukščiau išvardinti faktai yra tik dalis tiesos. Dabar įsivaizduokite, kad banga, perėjusi per kokią nors terpę, gali pakeisti savo formą (3 pav.), o susidūrus dvejoms bangoms, jų sąveikos metu gali atsirasti trečia, visiškai nauja banga (4 pav.).

Pav. 3. Terpe sklindančios bangos formos kitimas dėl netiesinių reiškinių.

Pav. 4. Netiesinė dviejų bangų sąveika.

Sakote taip negali būti? Pasirodo- gali. Tokios, neįprastos, bangų savybės yra vadinamųjų netiesinių reiškinių padarinys. Tačiau kokios, ir kuo ypatingos, turi būti bangos, kurioms galioja tokie keisti dėsniai? Atsakymas- šie dėsniai galioja visoms bangoms! Paprastai mes to tiesiog nepastebime, nes pokyčiai yra labai subtilūs, neretai netgi tokie maži, kad jų negalime išmatuojami. Dėl šios priežasties, dažnai daroma prielaida, jog netiesiniai reiškiniai neegzistuoja, ir toliau bangos nagrinėjamos tarsi jos būtų griežtai tiesinės.

Tačiau, didėjant bangų amplitudėms, tikroji, netiesinė bangų prigimtis pradeda ryškėti. Tam, kad šie efektai būtų aiškiai matomi, reikalingos pakankamai didelių amplitudžių bangos. Dažniausiai eksperimentai su netiesiniais bangų efektais atliekami pasitelkiant didelės galios ultragarso bangas.

Dabar jau žinote visą tiesą apie akustinių bangų prigimtį. Jei esate teorijos mėgėjas, tuomet jums šių žinių gali ir pakakti- jūsų smalsumas patenkintas. Tačiau tiems, kurie yra labiau linkę į praktinius, taikomojo pobūdžio apmąstymus, greičiausiai galvojate kirba klausimas- “kas iš to, kur tai panaudojama?”.

Netiesinių bangų sąveika naudojama, kaip būdas generuoti norimo dažnio bangas, kai tai nepatogu daryti tiesioginiu būdu- panaudojant keitiklį. Šiuo principu pagrįstos akustinės, ilgo nuotolio povandeninių laivų bendravimo sistemos. Taip pat, pasinaudojant netiesine bangų sąveika, galima atlikti neardančią medžiagų mechaninių savybių kontrolę (t.y. po eksperimento bandinys lieka nesugadintas) ir tirti tokius reiškinius kaip medžiagų mechaninis nuovargis ar senėjimas. Yra atvejų, kai mus dominančių matavimų neįmanoma atlikti jokiais kitais metodais. Taip pat, netiesiniai reiškiniai gali būti panaudojami medicinoje, gerinant ultragarsinių vaizdų kokybę. Komunikacinės sistemos ir medžiagų savybių tyrimai jūsų nedomina? Tuomet, gal sudomins akustinė levitacija (5 pav.)? Čia ultragarso bangos sukuria oro virpesius, o netiesiniai bangų formos pokyčiai padeda šį poveikį dar labiau sustiprinti ir sutelkti į levituojamą objektą, pavyzdžiui vandens lašą, tokiu būdu išlaisvinant jį iš gravitacijos pančių.

5 pav. Akustinė levitacija.

Apibendrinant, galima teigti, kad netiesinės akustikos taikymas įvairioms praktinėms problemoms spręsti yra besivystanti taikomosios fizikos šaka. Nors teoriniai akustinių bangų netiesiškumo pagrindai buvo suformuoti jau praeito amžiaus šeštame dešimtmetyje, ir šių įdomių bangų savybių pritaikymo galimybių apstu, o nauda neginčijama,  čia vis dar yra neišspręstų problemų, neatsakytų klausimų, o gal net ir neišnaudotų galimybių.

Parengė: KTU Fizikos katedros docentas L. Jakevičius ir taikomosios fizikos magistrantūros I kurso studentas DAngis Šlapelis