تبخیر آب با صدا

فشار صوتی ایجاد شده دراین آزمایش بالاتر از 270 دسی بل است. دسی بل واحد اندازه‌گیری بلندی صوت است.

درآزمایش انجام شده از سوی محققان SLAC ، بلندی صدای ایجاد شده، 270 دسیبل است. (SLAC)یک مرکز علمی فدرال در ایالت کالیفرنیا آمریکاست. این آزمایشگاه متعلق به وزارت نیرو ایالات متحده آمریکاست و از سوی دانشگاه استنفورد اداره می‌شود.

270دسیبل یعنی چقدر؟

اگرچه امروزه معیار رایجی که حساسیت کمتری به محیط صدایی دارد، مقیاس «وات» است که مانند تمام توان‌های مکانیکی براساس آهنگ تولید انرژی صوتی یا «توان صوتی» منبع تعیین می‌شود،( برای مثال ، جاروهای برقی بین 100 تا هزار میکرووات سروصدای ناموزون ایجاد می‌کنند، درحالی‌که سروصدا در مکالمه مردانه چیزی در حدود 50 میکرو وات است.) با این حال هنوز در صنعت از سطوح فشار صوتی (دسی بل) برای سنجش بلندی صدا استفاده می‌شود.

به‌عنوان مثال 10صدای تنفس انسان برابر با 10 دسی بل برآورد شده که نمایانگر ضعیف‌ترین سطح فشارصوتی است.همچنین 20 دسی بل برابر با صدای تیک تاک ساعت است. درسطحی قوی‌تر صدای گفت‌وگوی معمولی دومرد درفاصله یک متری برابر با 60 دسی بل و صدای زنگ تلفن 70 دسی بل است. آخرین حد تحمل صدا درانسان 130 دسیبل است که آستانه درد نیزاعلام شده‌است. به این معنا که صدای بلندتر ازآن برای انسان همراه با احساس درد وغیرقابل تحمل است.

حال برای درک بهترمیزان یا شدت بلندی این صدا، می‌توان توجه کرد که بلندترین صدا حین پرتاب موشک‌های فضایی ناسا حدود 205 دسیبل برآورد شده‌است. اگر بلندی صدای ایجاد شده در آزمایشگاه SLAC حدود 270 دسیبل است، بنابراین می‌توان دریافت که این امواج فشرده حتی از بلندترین صدایی که هنگام پرتاب موشک‌های فضایی در ناسا برمی‌خیزد هم بلندتر است. به طور کلی در هوا،بلندی  صوت از 194 دسی بل بالاتر نمی‌رود اما در آب این حد، حدود 270 دسی بل است. این همان صدای بلندی است که دانشمندان اخیرا موفق به ایجاد آن شده‌اند.

270 دسیبل صدا درخلأ

شاید نزد خود فکر کنید که این صدای بلند، چیزی درحد صدای زمین لرزه‌ای عظیم زیرآب باشد اما چنین نیست. درواقع این صدای بلند برخلاف تصور حتی قابل شنیدن هم نیست زیرا درمحیط کاملا خلا و بدون هوا ایجاد شده‌است.

می‌دانیم که «صدا در تعریف فیزیکی، نوعی از انرژی است که نتیجه حرکت و برخورد ذرات در فضای مادی است. به عبارت دیگر صدا در اثر حرکت اشیا به‌وجود می‌آید، هرچیزی که حرکت می‌کند باعث ارتعاش ذرات اطراف خود می‌شود و این ارتعاش تبدیل به امواج صوتی می‌شوند.»

اما صوت، بر خلاف امواج دیگر مانند نور و گرما، فقط در محیطی نشر می‌یابد که ماده وجود داشته باشد. برای این‌که صدا به گوش ما و جانداران برسد، فقط حرکات و ارتعاش ذرات کافی نیست. بلکه باید دارای یک کانال ارتباطی به‌اصطلاح رسانا هم باشد. این کانال ارتباطی می‌تواند هوا، آب و به‌طورکلی مایعات و گاز باشد. بسته به نوع کانال ارتباطی، سرعت صدا نیز متغیراست. بنابراین در فضای خلأ یا جایی که هیچ یک از کانال‌های واسط یا رسانای صوت، وجود نداشته باشد، بلندترین صداها هم هرگز به گوش انسان نمی‌رسد.

اصولا صدا در مسیرهایی که مولکول‌های فشرده‌تری دارند، سریع‌تر حرکت می‌کند. زیرا مولکول‌ها به همدیگر نزدیک‌اند و امواج صوتی را زودتر به مولکول‌های مجاور خود انتقال می‌دهند. بنابراین سرعت صدا در زیر آب سریع‌تر از هواست.

از آن‌جا که ملکول‌های آب در مقایسه با ملکول‌های هوا به هم نزدیک‌ترند، حدود پنج‌برابر سریع‌تر از هوا (دردمای معمولی 20 درجه)، صدا را منتقل می‌کنند. سرعت صوت در اجسام نیز بیشتر می‌شود. مثلا سرعت انتقال صدا در محیطی از آهن ۲۰ برابر سریع‌تر از هوا حرکت می‌کند. به‌طور خلاصه سرعت صوت در جامدات، به دلیل تراکم زیادِ مولکول‌ها، بیشتر از مایعات، و در مایعات نیز بیشتر از گازهاست.

به‌طورکلی عوامل متعددی در تعیین سرعت صوت موثرند که در معادلات ریاضی مهندسان و دانشمندان و در جهت دقت بیشتر برای محاسبه دقیق سرعت صوت به کار گرفته می‌شوند. مثلا سرعت صوت در آب هم بسته به ترکیبات موجود در آب متغیراست. بنابراین سرعت صوت در آب دریا به عواملی چون فشار، دما و درجه شوری آب بستگی دارد.

در آزمایش محققان SLAC صدای ایجاد شده، به بلندی 270 دسی بل، دراصل، صدای یک «جت آب» کوچک است، به‌اندازه نیمی از موی سرانسان که اشعه لیزز بسیار نازک‌تری نیز به آن پرتاب شده‌است. محققان SLAC  با استفاده از لیزر اشعه ایکس LCLS این جت آب‌های کوچک را به قطر ۱۴ تا ۳۰ میکرومتر ایجاد کردند، سپس با استفاده از اشعه لیزر این جت آب‌های کوچک را شکستند. هنگامی‌که پالس‌های کوتاه اشعه ایکس به آب برخورد کرد، آب تبخیر شد و در نتیجه نوعی امواج پی‌درپی به وجود آمد. پس از این مرحله تولید موج‌ها ادامه یافت و صدایی بسیار بلند زیر آب تولید شد اما همان‌طورکه گفته شد، این صدا غیرقابل شنیدن است.

مشاهده آثار صداهای بلند درسطح میکروسکوپی

دانشمندان SLAC درجریان این بررسی‌ها امکان مشاهده آثار ویرانگرصداهای بلند را درسطح میکروسکوپی و درعمل فراهم کرده‌اند. چراکه درجریان اجرای بخشی از این برنامه پژوهشی، مجموعه ویدئوهایی با سرعت مافوق آهسته، یعنی حدود 40 نانو ثانیه، در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده (SLAC National Accelerator  ) تهیه شد، تا نشان دهد نمونه‌های میکروسکوپیک چگونه دربرابر ارتعاشات شدید صدای زیرآب، واکنش نشان می‌دهند. این ویدئوها در جریان اجرای بخشی از یک برنامه پژوهشی تهیه شده، آثار مخرب صداهای بلند را برترکیبات مختلف نشان می‌دهند.

در یکی از این ویدئوها که با سرعتی بسیار کند یعنی حدود 40 نانو ثانیه برابر با 40 میلیاردم یک ثانیه، (یک نانوثانیه برابر با یک میلیاردم یک ثانیه است.) تهیه شده، می‌توان مشاهده کرد که چگونه لیزرپالسی، بلافاصله جت آب یا آبفشان را به دوقسمت مجزا تقسیم می‌کند و در همان حال که امواج، فشارقدرتمندی را  به هردو طرف جت آب می‌فرستد، مواد مایعی که با آن درتماس می‌گیرد، تبخیر می‌شود. این امواج نیز خود سبب ایجاد امواج بیشتری می‌شوند درنتیجه پس از حدود 10 نانوثانیه، ابرهای سیاهی از حباب‌های شکسته شده در هردو طرف حفره‌ای که میان دوقسمت مجزای جت آب، ایجاد شده بود، شکل می‌گیرد.

به گفته «کلودیو استن» فیزیکدان دانشگاه روتگرز در نیوآرک نیوجرسی و یکی از محققان در این پروژه تحقیقاتی، این امواج احتمالا نشانگر ایجاد بلندترین صداهای ممکن در زیرآب هستند. این صدای بلند واقعا سبب به جوش آمدن آب و مایعات و تبخیرآن می‌شود.

درک محدودیت‌های صدا در زیرآب

«استن» درپاسخ به این سوال که چرا دانشمندان درصدد ایجاد صدایی جدا از محیط یا فضای رسانای صوتی‌اند، می‌گوید:«درک محدودیت‌هایی که صدا درزیر آب دارد، می‌تواند به دانشمندان کمک کند که تجربیات بعدی را بهتر طراحی کنند.»

بنابراین دانشمندان به‌طورمنظم ذرات کوچکی از مواد را به‌عنوان مثال گونه خاصی از کریستال پروتئین را در جت آب‌ها، به حالت تعلیق نگاه داشته و سپس با کمک لیرز آن‌ها را منفجرمی‌کنند تا به خواص شیمیایی آن مواد پروتئینی دست یابند. اگر دانشمندان به‌طور دقیق دریابند که چگونه ارسال یک پالس شدید لیرزی می‌تواند بدون هیچ تصادفی مایع را نابود کند، دستاوردی خواهد شد که می‌تواند سبب بهبود روش‌های جاری در این تجربیات و به‌طور کلی بررسی‌های علمی درباره صوت شود. این روش به‌ویژه درآزمایش و مطالعه روی نمونه‌هایی از مواد کاربرد دارد که دانشمندان با به کارگیری اشعه‌های پرقدرت لیزری یکپارچگی ساختاری مواد را مورد بررسی و آزمایش قرار می‌دهند.

به گفته استن این تحقیقات می‌تواند به دانشمندان در بررسی‌های آینده در زمینه این که نمونه‌های میکروسکوپیک چگونه در برابر ارتعاشات شدید صدای زیرآب، واکنش نشان می‌دهند، بسیار مفید و کاربردی باشد.

این نخستین‌بار نیست که محققان در آزمایشگاه SLAC با استفاده از اشعه X محدودیت‌های فیزیکی مواد را مورد بررسی قرار داده‌اند. درسال 2017 نیز طی یک پروژه مطالعاتی دانشمدان برای انفجار الکترون‌های خارج از اتم، از همان روش لیزری استفاده کردند. این آزمایش‌ها سبب شکل‌گیری سیاهچاله‌ای مولکولی شد که همه الکترون‌های در دسترس را از اتم‌های پیرامونش بخود جذب کرد. این بررسی‌ها و نتایج بررسی‌های اخیرنتایج مثبت و غیرقابل انکاری داشته است.