Создан самый громкий звук под водой

Создан самый громкий звук под водой

Американские физики достигли предела громкости звука в воде, разогрев тонкую струйку жидкости рентгеновским лазером установки Linac Coherent Light Source (LCLS). В результате такого разогрева в струйке возникала ударная волна с давлением до 24 МПа, громкость которой составляла чуть меньше 270 дБ. 

Звук — это упругая волна, бегущая в пространстве последовательность областей с повышенным и пониженным давлением. Чем больше амплитуда колебаний волны, то есть чем больше давление в ее пике, тем громче звук. Из-за особенностей человеческого слуха и широкого диапазона давлений, который может достигаться в акустической волне, громкость удобно измерять в логарифмической шкале, а именно в децибелах.

Эта шкала показывает, во сколько раз максимальное давление звуковой волны больше определенного порогового значения: громкость в децибелах = 20×lg(Pмаксимальное/Pпороговое). При этом давление нужно отсчитывать от равновесного давления среды. Как правило, в качестве такого значения выбирают порог слышимости человеческого уха. В воздухе этот порог проходит по давлению 20 мкПа, в воде — 1 мкПа. Например, громкость воздушной волны с давлением 2 Па составляет 20×lg(2/0,00002) = 100 дБ. Это громкость поезда в метро. 

Как правило, для распространения звука нужна среда, в которой проходят упругие волны. Учитывая этот факт, легко догадаться, что громкость звука всегда ограничена максимальным давлением, при котором среда разрушается и становится невозможным интерпретировать ее колебания в терминах волн. Например, в воздухе максимальный перепад давлений в акустической волне не превышает 1 атм. 

В самом деле, давление газа пропорционально концентрации его молекул. Если молекул нет вообще, давление равно нулю. Следовательно, максимальное отклонение давления звуковой волны от давления среды не превышает атмосферного давления (100 кПа при нормальных условиях). Поэтому максимальная громкость звука в воздухе составляет 20×lg(100000/0,00002) ≈ 194 дБ.

Однако в воде такие аргументы не работают, поскольку ее давление в принципе может быть отрицательным. Такое давление отвечает растягиванию среды, которое она выдерживает за счет межмолекулярных сил. Тем не менее, отрицательное давление воды ограничено кавитацией, то есть спонтанным образованием пузырьков разреженного пара. Если пузырьки однородно рождаются во всем объеме, среда разрушается, и звук по ней идти не может. 

Теоретические расчеты показывают, что максимальное отрицательное давление по модулю не превышает 100 МПа, а с учетом сложного механизма кавитации в воде эта граница снижается до 30 МПа. Эксперименты подтверждают это ограничение. Таким образом, максимальная громкость звука в воде не превышает 20×lg(30000000/0,000001) ≈ 270 дБ.

Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые достигли такой громкости на практике. Для этого ученые впрыскивали в вакуумную камеру тонкие струйки воды диаметром от 14 до 30 мкм, а затем облучали их импульсами фемтосекундного рентгеновского лазера суммарной энергией около 1 мДж, которая выделялась за 40 фемтосекунд в пятнышке диаметром чуть больше 1 мкм. В среднем струйка воды поглощала около 2 % этой мощности. В результате вода быстро ионизировалась, разогревалась и испарялась. При этом в месте разогрева рождалась цилиндрическая ударная волна, которая разбегалась вдоль струйки и порождала цепочку из вторичных ударных волн. 

Чтобы проследить за движением этих волн, физики подсвечивали струю оптическим лазером и записывали ее на КМОП-камеру со скоростью 9 тыс. кадров в секунду и разрешением 0,2 мкм на пиксель. Кроме того, ученые с помощью накачивающе-зондовой микроскопии делали отдельные кадры струи за 20 секунд до и 37 секунд после рентгеновского импульса.

Во всех случаях ученые наблюдали одинаковую картину распространяющихся ударных волн. Примерно через 1-2 наносекунды после прохождения импульса струя разрывалась надвое полостью с плоскими границами (такие границы отвечают проекции цилиндрической волны). Еще через 3 наносекунды профиль ударной волны начинал изгибаться, и к 10-й секунде под ней формировался темный треугольный регион, заполненный пузырьками пара. К 20-й наносекунде регион начинал уменьшаться и к 100-й наносекунде исчезал окончательно. Параллельно ударная волна порождала вторичные цилиндрические ударные волны, которые со временем также начинали изгибаться. Эти волны ученые связывают с распространением звука вдоль струи.

Чтобы оценить максимальное отрицательное давление таких ударных волн, ученые наблюдали за скоростью образования пузырьков в темном треугольном регионе. Для этого ученые проинтегрировали уравнение Рэлея–Плессе, которое описывает эволюцию пузырька пара в жидкости. 

В результате исследователи получили однозначную связь между скоростью роста пузырька, плотностью жидкости и пиковым отрицательным давлением. Подставляя в это уравнение максимальную скорость расширения пузырьков, измеренную в эксперименте (126 м/с), физики узнали, что максимальное давление жидкости составляло −24 МПа. Это отвечает громкости около 268 дБ. Частота такой волны составляла несколько сотен МГц.

Интересно, что похожий механизм используют раки-щелкуны, способные издавать щелчки громкостью свыше 200 дБ. Когда рак сжимает клешню, вокруг нее образуются кавитационные пузырьки, которые направляются в сторону добычи. При схлопывании этих пузырьков они разогреваются до 5 тыс. кельвинов, что приводит к кратковременному образованию плазмы, вспышке света и мощному взрыву, оглушающему добычу. 

Автор: Дмитрий Трунин

Поступить в МТИ