Infrahang vizsgálata

1. Bevezetés

A hidegháború legnagyobb veszélye egy nukleáris háború kitörése volt. A két szembenálló fél (NATO illetve Varsói szerződés tagállamai) eleinte a MAD (Mutually Assured Destruction ? garantált kölcsönös megsemmisítés) doktrínára alapozta stratégiáját. Ennek megfelelően a katonai kutatások fő célja minél pusztítóbb és minél kompaktabb nukleáris fegyverek kifejlesztése volt.
Az erőfeszítések minden épeszű határon túli sikerrel jártak. Pletykák szerint egy amerikai elnök megtudta, hogy a harmadik világháború kitörése esetén egy általa véletlenszerűen kiválasztott városra ötször annyi bombát dobnának le, mint a teljes elpusztításához szükséges lenne. Ez annyira sokkolta, hogy ennek az őrületnek mindenáron véget akart vetni.
Elkezdődtek a fegyverzetkorlátozási tárgyalások, melyek fő célja a nukleáris fegyverek számának korlátozása és fokozatos leépítése volt. Szintén cél volt a további fejlesztések (még pusztítóbb, még könnyebben célba juttatható fegyverek) megakadályozása. Ennek egyik kulcsa a kísérleti robbantások azonnali betiltása volt.
Legalább ilyen fontos cél volt új nukleáris hatalmak megjelenésének megakadályozása. Az ?atomklub? tagok (Szovjetúnió, USA, Franciaország, Anglia) szerződést írtak alá, ami szerint a nem atomhatalmaknak nukleáris technológiát semmilyen formában nem adnak át, míg a nem nukleáris hatalmak nagy része (például Magyarország, de Irak is) vállalta, hogy ilyen katonai fejlesztéseket nem fog folytatni.
Természetesen hiába kötnek a nagyhatalmak szerződést bármiről, ha a szerződés betartását nem lehet ellenőrizni. Természetesen a fő eszközt a ?kémek? és a hivatalos ellenőrök jelentik, de jelentős erőfeszítések történtek a szerződésellenes tevékenység technikai monitorozására is.
Ez a labormérés egy ilyen eszközön alapul, amit a Los Alamos National Laboratory (az USA két fő nukleáris fegyverkutató központjának egyike) fejlesztett ki nukleáris kísérleti robbantások észlelésére nagy távolságból. Az eszköz egy (akár föld alatti) robbantás keltette alacsonyfrekvenciás hanghullámok érzékelésén alapul, melyek akár más kontinensről is ?hallhatók?.
Az eszközt az EGRG (Eötvös Gravity Research Group ? több magyar egyetem és kutatóintézet összefogása) fejlesztette tovább békés célra: A LIGO egy majdnem 50 nemzetközi kutatóintézet és egyetem összefogása gravitációs hullámok kimutatására. A kísérlet lényegében a klasszikus Michelson interferométeren alapul, de annyira továbfejlesztve, hogy az egymástól 4 kilométerre levő teszttömegek ezred protonnyi elmozdulását is képesek vagyunk mérni. Természetesen óriási kihívás a környezeti zavarok kiszűrése. Ezen zavarok egyike a hang. Ennek figyelésére fejlesztettük ki a labormérésben szereplő alacsonyfrekvenciás mikrofont.
A labormérés ennek megfelelően szakít a laborok hagyományával. Nem egy jelenség szemléltetésére készül egy kísérlet, hanem egy valós kísérletet mutatunk be, aminek során sok jelenséget kell megérteni. A laborban szereplő eszköz a LIGO számára épített alacsonyfrekvenciás mikrofonok prototípusának egyike, melynek egy mása jelenleg Hannoverben (GEO-600) működik és hamarosan üzembehelyezünk továbbiakat Hanfordban és Livingstone-ban is.

Hang alapismeretek
A hang a levegőben terjedő longitudális nyomáshullám (gázban nincsenek nyíró erők, így transzverzális hullámok nem tudnak kialakulni). A hang terjedési sebessége a közeghez képest állandó (de természetesen függ a közegtől, hőmérséklettől, páratartalomtól, stb.). A hullámteret a nyomáson keresztül le tudjuk írni, azaz a p(x,t) függvényt fogjuk használni, x a helykoordináta, t az eltelt idő.
Frekvencia szerint három tartományba sorolhatjuk a hangot. 20KHz felett az ultrahang tartományról beszélünk (denevér és delfin), 20Hz és 20kHz között hallható tartományról (ember), és 20hz alatt találhatóak az infrahangok (elefánt).
Tekintsünk úgy az infrahangra, mint a levegőben terjedő nagyon nagy hullámhosszúságú p0 amplitúdójú nyomáshullámra (A hullámhossz, ? kiszámolható a frekvenciából és a terjedési sebességből, tehát ?=c/f). Nézzük meg, hogy mekkora elmozdulást okoz egy a hullámfrontra merőleges A keresztmetszetű l hosszúságú testen.
Ha behelyettesítünk 1mPa nyomást, 2500 kg/m3 sűrűséget, (tipikusan üveg) és frekvenciának 10mHz-et választunk, az elmozdulásnak ~20nm adódik, ami összemérhető a lézer hullámhosszával, így komoly hatást gyakorol a LIGO-ra. Ez azt jelenti, hogy ha bejutnak a rendszerbe az infrahangok, akkor azok szisztematikus nagyfrekvenciás hibát okoznak a detektor gravitációs hullám csatornájának jelében. A rendszerben jelen lévő nemlineáris folyamatok miatt megjelennek a felharmónikusok is.
Egy hanghullám erősségét természetesen meg lehet adni a nyomásingadozás amplitúdójával (hangnyomás). Tekintve, hogy az emberi fül logaritmikus érzékenységű, ezért sokkal praktikusabb a hangerőt dB (decibel) skálán megadni. Ezen a skálán 20dB tízszeres nyomásamplitúdó növekedésnek felel meg. A skála normalizálása (mely szabadon választható) úgy lett megválasztva, hogy a 0dB a leghalkabb hangnak feleljen meg, amit még meghallhat az ember. Ez (definíció szerint) 20žPa amplitúdó, amit egy szúnyog kb. 3 méter távolságból kelt.
Mikrofon alapelvek
A hang mérésére több módszert fejlesztettek ki. Régi telefonkészülékekben szén mikrofonok voltak. Itt egy zárt térfogatban szénszemcsék voltak. A térfogat egyik fala a ránehezedő nyomásnak megfelelően elmozdulhatott, összenyomta a részecskéket, ami ellenállásváltozást okoz, ami elektromos jellé alakítható. Ez a megoldás abszolút nyomásmérőként viselkedik, rettentő rossz minőségű hangot produkál, viszont strapabíró, olcsó és minimális elektronikát igényel.
Az úgy nevezett dinamikus mikrofonokban a hang (nyomás) egy mebránt mozgat, amihez tipikusan egy tekercs van rögzítve, ami állandó mágnese térben van. A membrán mozgása feszültséget indukál a tekercsben.
A kondenzátor mikrofonban a nyomás hatására elmozduló membrán egy nem mozgó lemezzel együtt egy kondenzátort alkot. A kondenzátort elektronikusan állandó töltéssel feltöltik. A membrán elmozdulása miatt változik a kapacitás, ami miatt változik a kondenzátoron mérhető feszültség (Q=C*U). A konstrukció nagyon alacsony frekvencián nem működhet, hiszen a töltés állandóságát elektronika oldja meg, ami egy bizonyos frekvencia alatt automatikusan kompenzálja a membrán elmozdulását.

infrahang Egyetem , oldal teteje