Физики достигли предела громкости звука в воде

Gabriel Blaj et al. / SLAC
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(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 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.
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