ЗВУКОВА ЕНЕРГИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ПРЕДИМСТВА, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2024

На енергия звук или акустични че изпълнява звуковите вълни, тъй като те се размножават в среда, която може да бъде газ, като въздух, течност или твърдо вещество. Хората и много животни използват акустична енергия за взаимодействие с околната среда.

За целта имат специализирани органи, например гласните струни, способни да произвеждат вибрации. Тези вибрации се транспортират във въздуха, за да достигнат до други специализирани органи, които отговарят за тяхната интерпретация.

Акустичната енергия се превежда в музика чрез звука на кларинета. Източник: Pixabay

Вибрациите предизвикват последователни компресии и разширения във въздуха или средата, която заобикаля източника, които се разпространяват с определена скорост. Не частиците пътуват, но те просто се колебаят по отношение на равновесното си положение. Смущението е това, което се предава.

Сега, както е известно, обектите, които се движат, имат енергия. По този начин вълните, докато пътуват в средата, също носят със себе си енергията, свързана с движението на частиците (кинетична енергия), а също и енергията, която тази среда присъщо притежава, известна като потенциална енергия.

характеристики

Както е известно, движещите се обекти имат енергия. По същия начин вълните, докато пътуват в средата, носят със себе си енергията, свързана с движението на частиците (кинетична енергия), а също и енергията на деформация на средата или потенциалната енергия.

Ако приемем, че много малка част от средата, която може да бъде въздух, всяка частица със скорост u има кинетична енергия K, дадена от:

Освен това частицата има потенциална енергия U, която зависи от промяната на обема, която изпитва, където Vo е началният обем, V е крайният обем и p е налягането, което зависи от положението и времето:

Отрицателният знак показва увеличение на потенциалната енергия, тъй като разпространяващата се вълна работи при обемния елемент dV, когато я компресира, благодарение на положителното акустично налягане.

Масата на флуидния елемент по отношение на началната плътност ρ _o и първоначалния обем V _o е:

И как се запазва масата (принцип на запазване на масата):

Следователно общата енергия е следната:

Изчисляване на потенциална енергия

Интегралът може да бъде решен, като се използва принципа на запазване на масата

Производната на константа е 0, така че (ρ V) '= 0. Следователно:

Исак Нютон определи, че:

(dp / dρ) = c ²

Където c представлява скоростта на звука във въпросната течност. Замествайки горното в интеграла, се получава потенциалната енергия на средата:

Ако A _p и A _v са амплитудите на вълната на налягане и скоростта, съответно средната енергия ε на звуковата вълна е:

Звукът може да се характеризира с количество, наречено интензивност.

Интензитетът на звука се определя като енергията, която преминава за една секунда през единичната площ, която е перпендикулярна на посоката на разпространение на звука.

Тъй като енергията за единица време е мощността P, интензитетът на звука I може да се изрази като:

Всеки тип звукова вълна има характерна честота и носи определена енергия. Всичко това определя нейното акустично поведение. Тъй като звукът е толкова важен за човешкия живот, типовете звуци се класифицират в три големи групи според диапазона на честотите, които се чуват за хората:

- Инфразвук, чиято честота е по-малка от 20 Hz.

- Звуков спектър, с честоти от 20 Hz до 20 000 Hz.

- Ултразвук, с честоти над 20 000 Hz.

Височината на звука, тоест дали е висока, ниска или средна, зависи от честотата. По-ниските честоти се интерпретират като басови звуци, приблизително между 20 и 400 Hz.

Честотите между 400 и 1600 Hz се считат за средни тонове, докато високите варират от 1600 до 20 000 Hz. Високите звуци са леки и пронизващи, докато басът се възприема като по-дълбок и бум.

Звуците, които чувате всеки ден, са сложни наслагвания на звуци с различни честоти в непосредствена близост.

Звукът има качества, различни от честотата, които могат да послужат като критерии за неговата класификация. Примери за тях са тембър, продължителност и интензивност.

Еквалайзерът се състои от филтри, които премахват шума и увеличават определени честоти, за да подобрят качеството на звука. Източник: Pixabay

шум

Важно е също да направите разлика между желаните звуци и нежеланите звуци или шум. Тъй като шумът винаги се търси за премахване, той се класифицира според интензитета и периода в:

- Непрекъснат шум.

- Променлив шум.

- Импулсивен шум.

Или по цветове, свързани с тяхната честота:

- Розов шум (подобно на „шххххх“).

- Бял шум (подобно на "psssssss").

- Кафяв шум (от Робърт Браун, откривателят на движението на Браун, е шум, който силно благоприятства ниските честоти).

Приложения

Използването, което се дава на акустична енергия, зависи от вида на използваната звукова вълна. В обхвата на звуковите вълни универсалната употреба на звук е да се осигури близка комуникация, не само между хората, тъй като животните също общуват, излъчвайки звуци.

Звуците са многостранни. Всеки се различава според източника, който го излъчва. По този начин разнообразието от звуци в природата е безкрайно: всеки човешки глас е различен, както и характерните звуци, които животинските видове използват, за да общуват помежду си.

Много животни използват енергията на звука, за да се локализират в космоса, а също и да улавят плячката си. Те излъчват акустични сигнали и имат рецепторни органи, които анализират отразените сигнали. По този начин те получават информация за разстоянията.

Човешките същества нямат необходимите органи, за да използват звуковата енергия по този начин. Въпреки това те са създали устройства за ориентация като сонар, базирани на същите тези принципи, за да улеснят навигацията.

От друга страна, ултразвуците са звукови вълни, чиито приложения са добре известни. В медицината те се използват за получаване на изображения от вътрешността на човешкото тяло. Те също са част от лечението на някои състояния като лумбаго и тендонит.

Някои приложения на акустичната енергия

- С високоенергийни ултразвуци камъните или калкулите, които се образуват в бъбреците и жлъчния мехур поради утаяването на минерални соли в тези органи, могат да бъдат унищожени.

- В геофизиката ултразвукът се използва като проучвателни методи. Принципите му са подобни на тези на сеизмичните методи. Те могат да се използват в приложения, вариращи от определяне на формата на океана до релефа до изчисляване на еластични модули.

- В хранителните технологии те се използват за елиминиране на микроорганизми, устойчиви на високи температури, както и за подобряване на някои текстури и качества на храната.

предимство

Акустичната енергия има предимства, които до голяма степен се дължат на нейния малък обхват. Например, евтино е да се произвеждат и не се генерират химически или други отпадъци, тъй като той се разсейва бързо в средата.

Що се отнася до източниците на акустична енергия, те са многобройни. Всеки предмет, способен да вибрира, може да се превърне в източник на звук.

Когато се използва в медицински приложения, като ултразвуково изображение, то има предимството да не използва йонизиращо лъчение, като рентгенови лъчи или томография. Факт е, че йонизиращото лъчение може да причини увреждане на клетките.

Използването му не изисква мерките за защита, които са необходими при прилагане на йонизиращо лъчение. Комплектите също са по-евтини.

По същия начин, ултразвуковата енергия е неинвазивен метод за елиминиране на гореспоменатите камъни в бъбреците и жлъчката, като по този начин се избягват хирургични процедури.

По принцип не генерира замърсяване нито във въздуха, нито във водите. Известно е обаче, че в моретата има шумово замърсяване, причинено от човешки дейности като интензивен риболов, геофизични проучвания и транспорт.

Недостатъци

Трудно е да се мисли за недостатъците, които може да има явление толкова естествено, колкото звукът.

Едно от малкото е, че силните звуци могат да повредят структурата на тъпанчето и с течение на времето хората да се излагат постоянно изложени губят усещането си.

Много шумна среда в крайна сметка причинява стрес и дискомфорт у хората. Друг недостатък е може би фактът, че акустичната енергия не се използва за придвижване на обекти, което прави много трудно да се възползват от вибрациите, за да въздействат върху твърди предмети.

Това е така, защото звукът винаги изисква съществуването на носител, за да може да се разпространява и следователно той лесно се отслабва. С други думи, звуковата енергия се абсорбира в средата по-бързо от тази на други видове вълни, например електромагнитни.

Поради тази причина енергията на звуковите вълни е сравнително къса във въздуха. Звукът се абсорбира от структури и предмети, докато се разпространява, а енергията му постепенно се разсейва в топлината.

Разбира се, това е свързано със запазването на енергията: енергията не се унищожава, но променя формата си. Вибрациите на молекулите във въздуха не се трансформират само в промени в налягането, които пораждат звук. Вибрациите също пораждат топлина.

Поглъщане на звука в материалите

Когато например звукови вълни ударят материал като тухлена стена, част от енергията се отразява. Друга част се разсейва в топлина, благодарение на молекулната вибрация както на въздуха, така и на материала; и накрая останалата фракция преминава през материала.

По този начин звуковите вълни могат да бъдат отразени по същия начин, както прави светлината. Отражението на звука е известно като "ехо". Колкото по-твърда и равномерна е повърхността, толкова по-голяма е способността да се отразява.

Всъщност има повърхности, които са способни да произвеждат множество отражения, наречени реверберации. Обикновено това се случва в малки пространства и се избягва чрез поставяне на изолационен материал, така че по този начин излъчените и отразени вълни да не се припокриват, което затруднява слуха.

По време на цялото си разпространение акустичната вълна ще преживее всички тези последователни загуби, докато накрая енергията не бъде напълно погълната в средата. Което означава, че тя е трансформирана в топлинна енергия.

Има величина за количествено определяне на способността на материал да абсорбира звук. Нарича се коефициента на абсорбция. Тя се обозначава като α и представлява съотношението между погълнатата енергия E _abs и падащата енергия E _inc, която се отнася до въпросния материал. Изразява се математически така:

α = E _abs / E _inc

Максималната стойност на α е 1 (напълно абсорбира звука), а минималната е 0 (пуска целия звук през).

Звукът може да бъде недостатък в много случаи, когато се предпочита тишината. Например автомобилите са оборудвани с шумозаглушители, които заглушават шумовете в двигателя. За други устройства като водни помпи и електроцентрали.

Звукоизолацията е важна в звукозаписното студио. Източник: Pixabay

Примери за звукова енергия

Звуковата енергия е навсякъде. Ето един прост пример, който илюстрира свойствата на звука и неговата енергия от количествена гледна точка.

Упражнението е разрешено

Пин с маса 0,1 g пада от височина 1 m. Ако приемем, че 0,05% от неговата енергия се преобразува в звуков импулс с продължителност 0,1 s, преценете максималното разстояние, на което може да се чуе падането на щифта. Вземете като минимална звукова интензивност на звука 10 ^-8 W / m ².

Решение

Уравнението, дадено по-горе, ще се използва за интензитета на звука:

Добър въпрос е откъде идва звуковата енергия в този случай, чиято интензивност човешкото ухо открива.

Отговорът е в гравитационната потенциална енергия. Именно защото щифтът пада от определена височина, на която е имал потенциална енергия, тъй като пада, той преобразува тази енергия в кинетична енергия.

И след като удари земята, енергията се прехвърля към молекулите на въздуха, заобикалящи мястото на катастрофата, което поражда звука.

Гравитационната потенциална енергия U е:

Където m е масата на щифта, g е ускорението на гравитацията, а h е височината, от която е паднал. Замествайки тези числови стойности, но не преди да извършим съответните преобразувания в Международната система от единици, имаме:

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

В изявлението се казва, че от тази енергия само 0,05% се преобразува, за да се получи звуков импулс, тоест до трептене на щифта, когато удари пода. Следователно звуковата енергия е:

E _звук = 4,9 x 10 ^-7 J

От уравнението на интензивността радиусът R се изчиства и стойностите на звуковата енергия E _звук и времето, през което импулсът е продължил, се заменят: 0,1 s според изявлението.

Следователно максималното разстояние, на което ще се чуе падането на щифта, е 6.24 m във всички посоки.

Препратки

1. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. Шесто издание. Prentice Hall. 332-359.
2. Кинслер, Л. (2000). Основи на акустиката. 4-ти изд. Wiley & Sons. 124-125.