ENERGIA DŹWIĘKU: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, ZASTOSOWANIA, ZALETY, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Energia akustyczna lub akustyczne, które prowadzi się fal dźwiękowych, kiedy propagują w nośniku, którym może być gaz, taki jak powietrze, ciekły lub ciało stałe. Ludzie i wiele zwierząt wykorzystują energię akustyczną do interakcji ze środowiskiem.

W tym celu mają wyspecjalizowane organy, na przykład struny głosowe, zdolne do wytwarzania wibracji. Wibracje te są przenoszone w powietrzu, aby dotrzeć do innych wyspecjalizowanych narządów odpowiedzialnych za ich interpretację.

Energia akustyczna jest przekładana na muzykę poprzez dźwięk klarnetu. Źródło: Pixabay

Drgania powodują kolejne kompresje i rozszerzania się powietrza lub ośrodka otaczającego źródło, które rozchodzą się z określoną prędkością. To nie cząstki przemieszczają się, a jedynie oscylują względem ich pozycji równowagi. To zakłócenie jest przekazywane.

Jak wiadomo, obiekty, które się poruszają, mają energię. Zatem fale przemieszczające się w ośrodku niosą ze sobą również energię związaną z ruchem cząstek (energia kinetyczna), a także energię, którą to medium samo posiada, zwaną energią potencjalną.

cechy

Jak wiadomo, obiekty, które się poruszają, mają energię. Podobnie fale przemieszczające się w ośrodku niosą ze sobą energię związaną z ruchem cząstek (energia kinetyczna), a także energię odkształcenia ośrodka lub energię potencjalną.

Zakładając, że bardzo mała część ośrodka, którą może być powietrze, każda cząstka o prędkości u ma energię kinetyczną K wyrażoną wzorem:

Ponadto cząstka ma energię potencjalną U, która zależy od zmiany objętości, której doświadcza, gdzie Vo to objętość początkowa, V to objętość końcowa, a p to ciśnienie, które zależy od położenia i czasu:

Znak ujemny wskazuje na wzrost energii potencjalnej, ponieważ fala propagująca działa na element objętości dV podczas jego ściskania dzięki dodatnim ciśnieniu akustycznemu.

Masa elementu płynu pod względem gęstości początkowej ρ _o i objętości początkowej V _o wynosi:

A jak zachowuje się masa (zasada zachowania masy):

Dlatego całkowita energia jest następująca:

Obliczanie energii potencjalnej

Całkę można rozwiązać, stosując zasadę zachowania masy

Pochodna stałej wynosi 0, więc (ρ V) '= 0. Dlatego:

Isaac Newton ustalił, że:

(dp / dρ) = c ²

Gdzie c oznacza prędkość dźwięku w danym płynie. Podstawiając powyższe do całki, uzyskuje się energię potencjalną ośrodka:

Jeżeli A _p i A _v są odpowiednio amplitudami fali ciśnienia i prędkości, średnia energia ε fali dźwiękowej wynosi:

Dźwięk można scharakteryzować za pomocą wielkości zwanej intensywnością.

Intensywność dźwięku definiuje się jako energię, która przechodzi w ciągu jednej sekundy przez obszar jednostki, który jest prostopadły do ​​kierunku rozchodzenia się dźwięku.

Ponieważ energia na jednostkę czasu jest mocą P, natężenie dźwięku I można wyrazić jako:

Każdy rodzaj fali dźwiękowej ma charakterystyczną częstotliwość i niesie określoną energię. Wszystko to determinuje jego zachowanie akustyczne. Ponieważ dźwięk jest tak ważny dla życia ludzkiego, typy dźwięków podzielono na trzy duże grupy, zgodnie z zakresem częstotliwości słyszalnych dla człowieka:

- Infradźwięki, których częstotliwość jest mniejsza niż 20 Hz.

- Widmo słyszalne o częstotliwości w zakresie od 20 Hz do 20000 Hz.

- Ultradźwięki o częstotliwościach większych niż 20000 Hz.

Wysokość dźwięku, to znaczy czy jest wysoki, niski czy średni, zależy od częstotliwości. Niższe częstotliwości są interpretowane jako dźwięki basowe, w przybliżeniu między 20 a 400 Hz.

Częstotliwości od 400 do 1600 Hz są uważane za półtony, a wysokie od 1600 do 20 000 Hz. Wysokie dźwięki są lekkie i przeszywające, podczas gdy bas jest głębszy i dudniący.

Dźwięki, które słyszysz każdego dnia, to złożone nakładki dźwięków o różnych częstotliwościach w bliskiej odległości.

Dźwięk ma inne cechy niż częstotliwość, co może służyć jako kryterium jego klasyfikacji. Przykładami są barwa, czas trwania i intensywność.

Korektor składa się z filtrów, które usuwają szum i wzmacniają określone częstotliwości, aby poprawić jakość dźwięku. Źródło: Pixabay.

Hałas

Ważne jest również rozróżnienie między pożądanymi dźwiękami a dźwiękami niepożądanymi lub hałasem. Ponieważ zawsze dąży się do wyeliminowania hałasu, klasyfikuje się go według intensywności i okresu w:

- Ciągły hałas.

- Wahający się hałas.

- Impulsowy hałas.

Lub według kolorów, powiązanych z ich częstotliwością:

- Szum różowy (podobny do „shhhhhh”).

- Biały szum (podobny do „psssssss”).

- Szum brunatny (autorstwa Roberta Browna, odkrywcy ruchów Browna, to szum, który bardzo faworyzuje niskie częstotliwości).

Aplikacje

Wykorzystanie energii akustycznej zależy od rodzaju używanej fali dźwiękowej. W zakresie fal słyszalnych uniwersalnym zastosowaniem dźwięku jest umożliwienie bliskiej komunikacji nie tylko między ludźmi, gdyż zwierzęta komunikują się również poprzez emitowanie dźwięków.

Dźwięki są wszechstronne. Każdy różni się w zależności od źródła, które je emituje. W ten sposób różnorodność dźwięków w przyrodzie jest nieskończona: każdy głos ludzki jest inny, a także charakterystyczne dźwięki, których używają gatunki zwierząt do komunikowania się ze sobą.

Wiele zwierząt wykorzystuje energię dźwięku do lokalizowania się w przestrzeni, a także do chwytania zdobyczy. Emitują sygnały akustyczne i mają narządy receptorowe, które analizują odbite sygnały. W ten sposób uzyskują informacje o odległościach.

Istotom ludzkim brakuje narządów niezbędnych do wykorzystania w ten sposób energii dźwiękowej. Jednak stworzyli urządzenia do orientacji, takie jak sonar, oparte na tych samych zasadach, aby ułatwić nawigację.

Z drugiej strony ultradźwięki to fale dźwiękowe, których zastosowania są dobrze znane. W medycynie służą do uzyskania obrazów wnętrza ludzkiego ciała. Są również częścią leczenia niektórych schorzeń, takich jak lumbago i zapalenie ścięgien.

Wybrane zastosowania energii akustycznej

- W przypadku ultradźwięków wysokoenergetycznych kamienie lub kamienie, które tworzą się w nerkach i woreczku żółciowym, mogą zostać zniszczone z powodu wytrącania się soli mineralnych w tych narządach.

- W geofizyce ultradźwięki są wykorzystywane jako metody poszukiwawcze. Jego zasady są podobne do metod sejsmicznych. Mogą być używane w różnych zastosowaniach, od określania kształtu oceanu, przez relief, po obliczanie modułów sprężystości.

- W technologii żywności służą do eliminacji mikroorganizmów odpornych na wysokie temperatury, a także do poprawy niektórych tekstur i właściwości żywności.

Korzyść

Energia akustyczna ma zalety, które wynikają głównie z jej krótkiego zasięgu. Na przykład jego produkcja jest niedroga i nie generuje odpadów chemicznych ani innych, ponieważ szybko rozprasza się w medium.

Jeśli chodzi o źródła energii akustycznej, jest ich wiele. Każdy przedmiot zdolny do wibracji może stać się źródłem dźwięku.

W zastosowaniach medycznych, takich jak obrazowanie ultradźwiękowe, ma tę zaletę, że nie wykorzystuje promieniowania jonizującego, takiego jak promieniowanie rentgenowskie lub tomografia. Faktem jest, że promieniowanie jonizujące może powodować uszkodzenie komórek.

Jego stosowanie nie wymaga środków ochronnych, które są potrzebne przy stosowaniu promieniowania jonizującego. Zestawy są również tańsze.

Podobnie energia ultradźwiękowa jest nieinwazyjną metodą eliminacji wyżej wymienionych nerek i kamieni żółciowych, co pozwala uniknąć zabiegów chirurgicznych.

W zasadzie nie generuje zanieczyszczeń ani w powietrzu, ani w wodach. Wiadomo jednak, że w morzach występuje zanieczyszczenie hałasem spowodowane działalnością człowieka, taką jak intensywne rybołówstwo, poszukiwania geofizyczne i transport.

Niedogodności

Trudno jest pomyśleć o wadach, jakie może mieć zjawisko tak naturalne, jak dźwięk.

Jednym z nielicznych jest to, że głośne dźwięki mogą uszkodzić strukturę błony bębenkowej, a wraz z upływem czasu powodują, że osoby stale narażone tracą czucie.

Bardzo hałaśliwe otoczenie powoduje stres i dyskomfort u ludzi. Inną wadą jest być może fakt, że energia akustyczna nie jest wykorzystywana do przemieszczania obiektów, co bardzo utrudnia wykorzystanie wibracji do oddziaływania na ciała stałe.

Dzieje się tak, ponieważ dźwięk zawsze wymaga istnienia medium, aby mógł się propagować, a zatem jest łatwo tłumiony. Innymi słowy, energia dźwięku jest absorbowana w ośrodku szybciej niż inne rodzaje fal, na przykład elektromagnetyczne.

Z tego powodu energia fal dźwiękowych w powietrzu ma stosunkowo krótki zasięg. W miarę rozchodzenia się dźwięk jest pochłaniany przez konstrukcje i przedmioty, a jego energia stopniowo rozprasza się w ciepło.

Oczywiście jest to związane z zachowaniem energii: energia nie ulega zniszczeniu, ale zmienia formę. Drgania cząsteczek w powietrzu przekształcają się nie tylko w zmiany ciśnienia, które powodują powstawanie dźwięku. Wibracje również powodują wzrost temperatury.

Pochłanianie dźwięku w materiałach

Kiedy fale dźwiękowe uderzają w materiał, na przykład ścianę z cegły, część energii zostaje odbijana. Inna część jest rozpraszana w cieple dzięki wibracjom molekularnym powietrza i materiału; i ostatecznie pozostała frakcja przechodzi przez materiał.

W ten sposób fale dźwiękowe mogą być odbijane w taki sam sposób, jak światło. Odbicie dźwięku jest znane jako „echo”. Im bardziej sztywna i jednolita powierzchnia, tym większa zdolność odbijania.

W rzeczywistości istnieją powierzchnie, które mogą wytwarzać wielokrotne odbicia zwane pogłosami. Zwykle ma to miejsce w małych przestrzeniach i można tego uniknąć, umieszczając materiał izolacyjny, aby w ten sposób emitowane i odbijane fale nie nakładały się, co utrudnia słyszenie.

Podczas całej swojej propagacji fala akustyczna będzie doświadczać wszystkich kolejnych strat, aż w końcu energia zostanie całkowicie pochłonięta przez ośrodek. Co oznacza, że ​​został przekształcony w energię cieplną.

Istnieje wielkość pozwalająca określić ilościowo zdolność materiału do pochłaniania dźwięku. Nazywa się to współczynnikiem absorpcji. Jest on oznaczany jako α i jest to stosunek pochłoniętej energii E _abs i energii padającej E _inc , wszystkie w odniesieniu do danego materiału. Jest to wyrażone matematycznie w ten sposób:

α = E _abs / E _inc

Maksymalna wartość α to 1 (całkowicie pochłania dźwięk), a minimalna to 0 (przepuszcza cały dźwięk).

Dźwięk może być w wielu przypadkach niekorzystny, gdy preferowana jest cisza. Na przykład samochody są wyposażone w tłumiki tłumiące hałas silnika. Do innych urządzeń, takich jak pompy wodne i elektrownie.

W studiu nagrań ważna jest izolacja akustyczna. Źródło: Pixabay.

Przykłady energii dźwiękowej

Energia dźwiękowa jest wszędzie. Oto prosty przykład ilustrujący właściwości dźwięku i jego energię z ilościowego punktu widzenia.

Ćwiczenie rozwiązane

Szpilka o masie 0,1 g spada z wysokości 1 m. Zakładając, że 0,05% jego energii jest zamieniane na impuls dźwiękowy o czasie trwania 0,1 s, oszacuj maksymalną odległość, z której można usłyszeć upadek kołka. Jako minimalne słyszalne natężenie dźwięku przyjmij ^10-8 W / m ² .

Rozwiązanie

Podane powyżej równanie zostanie użyte do określenia natężenia dźwięku:

Dobre pytanie brzmi, skąd w tym przypadku pochodzi energia dźwiękowa, której natężenie wykrywa ludzkie ucho.

Odpowiedzią jest grawitacyjna energia potencjalna. Właśnie dlatego, że kołek spada z pewnej wysokości, na której miał energię potencjalną, gdy spada, przekształca tę energię w energię kinetyczną.

Po uderzeniu w ziemię energia jest przenoszona do cząsteczek powietrza otaczających miejsce katastrofy, powodując dźwięk.

Energia potencjalna grawitacji U wynosi:

Gdzie m jest masą kołka, g jest przyspieszeniem ziemskim, a h jest wysokością, z której spadł. Zastępując te wartości liczbowe, ale nie przed dokonaniem odpowiednich konwersji w międzynarodowym układzie jednostek, otrzymujemy:

U = 0,1 x ^10-3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J

Oświadczenie mówi, że z tej energii tylko 0,05% jest przekształcane, aby dać początek impulsowi dźwiękowemu, to znaczy dzwonieniu kołka, gdy uderza on w ziemię. Dlatego energia dźwięku wynosi:

_Dźwięk E = 4,9 x ^10-7 J.

Z równania natężenia usuwa się promień R i podstawia wartości energii _dźwięku E _dźwięk i czas trwania impulsu: 0,1 s zgodnie z oświadczeniem.

Dlatego maksymalna odległość, z jakiej będzie słyszalny upadek kręgli, wynosi 6,24 m we wszystkich kierunkach.

Bibliografia

1. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. Wydanie szóste. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Podstawy akustyki. 4. wydanie Wiley & Sons. 124-125.