Физики достигли предела громкости звука в воде

Американские физики достигли предела громкости звука в воду, разогрев тонкую струйку воды рентгеновским лазером установки Linac Coherent Light Source (LCLS). В результате такого разогрева в струйке возникала ударная волна с давлением до 24 мегапаскалей, громкость которой составляла чуть меньше 270 децибел. Статья опубликована в Physical Review Fluids, кратко о ней сообщает пресс-релиз организации, препринт работы авторы выложили в социальную сеть ResearchGate.

Звук — это упругая волна, то есть 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 широкого диапазона давлений, которые могут достигаться в акустической волне (а также из-за особенностей человеческого слуха) громкость удобно измерять в децибелах, то есть в логарифмической шкале. Эта шкала показывает, во сколько раз максимальное давление звуковой волны больше определенного порогового значения: громкость в децибелах = 20×lg(P_{максимальное}/P_{пороговое}). 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 микропаскаль, в воде — по давлению 1 микропаскаль. Например, громкость воздушной волны с давлением два паскаля составляет 20×lg(2/0,00002) = 100 децибел. Это громкость поезда в метро. Более подробно про громкость звука рассказывает задача Игоря Иванова.

Как правило, для распространения звука нужна среда: нет среды — нет упругих волн, нет звука. В космосе никто не услышит ваш крик (правда, эксперименты показывают, что вакуум все-таки проводит звук, хотя и очень плохо). Учитывая этот факт, легко догадаться, что громкость звука всегда ограничена сверху максимальным давлением, при котором среда разрушается и интерпретировать ее колебания в терминах волн нельзя. Например, в воздухе максимальный перепад давлений в акустической волне не превышает одной атмосферы. 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 (сто килопаскаль при нормальных условиях). Поэтому максимальная громкость звука в воздухе составляет 20×lg(100000/0,00002) ≈ 194 децибела.

Однако в воде такие аргументы не работают, поскольку ее давление в принципе может быть отрицательным. Такое давление отвечают растягиванию среды, которое она выдерживает за счет межмолекулярных сил. Тем не менее, отрицательное давление воды ограничено снизу 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 мегапаскаль, а с учетом сложного механизма кавитации в воде эта граница снижается до 30 мегапаскаль. Эксперименты подтверждают это ограничение. Таким образом, максимальная громкость звука в воде не превышает 20×lg(30000000/0,000001) ≈ 270 децибел.

Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые достигли такой большой громкости на практике. Для этого ученые впрыскивали в вакуумную камеру тонкие струйки воды диаметром от 14 до 30 микрометров, а затем облучали их импульсами фемтосекундного рентгеновского лазера суммарной энергией около одного миллиджоуля, которая выделялась за 40 фемтосекунд в пятнышке диаметром чуть больше одного микрометра (Linac Coherent Light Source, LCLS). В среднем струйка воды поглощала около двух процентов 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 «поезд» из вторичных ударных волн. Чтобы проследить за движением этих волн, физики подсвечивали струю оптическим лазером и записывали ее на КМОП-камеру со скоростью 9 тысяч кадров в секунду и разрешением 0,2 микрометра на пиксель. Кроме того, ученые с помощью накачивающе-зондовой микроскопии (pump-probe technique) 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 одну-две наносекунды после прохождения импульса струя разрывалась надвое полостью с плоскими границами (такие границы отвечают проекции цилиндрической волны). Еще через три наносекунды профиль ударной волны начинал изгибаться, и к десятой секунде под ней формировался темный треугольный регион, заполненный пузырьками пара. К двадцатой наносекунде регион начинал уменьшаться и к сотой 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 образование 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 метров в секунду), физики получили, что максимальное давление жидкости составляло −24 мегапаскаля. Это отвечает громкости около 268 децибел. Частота такой волны составляла несколько сотен мегагерц.

Интересно, что похожий механизм используют раки-щелкуны, способные издавать щелчки громкостью свыше 200 децибел. Когда рак сжимает клешню, вокруг нее образуются кавитационные пузырьки, которые направляются в сторону добычи. При схлопывании этих пузырьков они разогреваются до пяти тысяч кельвинов, что приводит к кратковременному образованию плазмы, вспышке света и мощному взрыву, оглушающему добычу. Объяснить этот механизм физики смогли только в 2001 году, а несколько месяцев назад им удалось воспроизвести его с помощью 3D-напечатанной модели клешни.

Узнать последние новости, связанные со звуком, можно в нашей рубрике «Звук». В частности, в этой рубрике можно прочитать, как физики научились измерять отдельные кванты звука и передавать звук напрямую в ухо с помощью лазера.

Дмитрий Трунин