Charakterystyka energii dźwięku, typy, zastosowania, zalety, przykłady

Energia Dźwięku o Acoustic to taki, który transportuje fale dźwiękowe, gdy rozprzestrzeniają się w medium, który może być gazem, takim jak powietrze, ciecz lub ciało stałe. Ludzie i wiele zwierząt wykorzystuje energię akustyczną do powiązania ze środowiskiem.

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

Energia akustyczna przekłada się na muzykę przez dźwięk klarnetu. Źródło: Pixabay

Wibracje powodują kolejne uciśnienia i rozszerzenia w powietrzu lub medium otaczające źródło, które propagują się z pewną prędkością. Nie jest to cząstki, które podróżują, ale ograniczają się do oscylacji w odniesieniu do ich pozycji równowagi. Zaburzenie jest przekazywane.

Teraz, jak wiadomo, obiekty, które się poruszają. Zatem również fale, gdy podróżują ze środkową, przenoszą ze sobą energię związaną z ruchem cząstek (energia kinetyczna), a także energia, która z natury powiedziała medium, znane jako energia potencjalna.

[TOC]

Charakterystyka

Jak wiadomo, obiekty, które się poruszają, mają energię. Tak więc fale, gdy podróżują na środku, niosą ze sobą energię związaną z ruchem cząstek (energia kinetyczna), a także energia deformacji potencjalnego środowiska lub energii.

Zakładając bardzo małą część pożywki, która może być powietrzem, każda cząstka z prędkością Lub, Ma energię kinetyczną K podane przez:

K = ½ MU²

Ponadto cząstka ma energię potencjalną LUB która zależy od zmiany objętości, której doświadcza, by Vo Początkowa objętość, V Ostateczny tom i P Ciśnienie, które zależy od pozycji i czasu:

Znak ujemny wskazuje na wzrost energii potencjalnej, ponieważ fala przez rozprzestrzenianie się działa na elemencie objętości DV Podczas kompresji, dzięki dodatnim ciśnieniu akustycznym.

Masa elementu płynu pod względem gęstości początkowej ρ_albo i początkowa objętość V_albo Jest:

M_albo= ρ_alboV_albo

A gdy ciasto jest zachowane (zasada ochrony masowej):

ρv = ρ_alboV_albo = stała

Dlatego całkowita energia pozostaje w następujący sposób:

Obliczanie energii potencjalnej

Integral można rozwiązać za pomocą zasady masowej ochrony

M_albo = m_F

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

Dv = (-v/ρ) dρ

Isaac Newton ustalił, że:

(dp/dρ) = c²

Gdzie C reprezentuje prędkość dźwięku w danym płynie. Zastępując powyższe, uzyskuje się energię potencjalną pożywki:

Wreszcie całkowita energia akustyczna elementu objętościowego wyraża się jako:

Dla płaskiej fali prawdą jest: P =  ± (ρc) u, Dlatego energia pozostaje:

Jak zawsze energia jest mierzona w dżuli, w systemie międzynarodowym. Łatwo jest sprawdzić, czy poprzedni wynik ma wymiary energii (n.M = Joule).

Tak_P już_v Są to amplitudy odpowiednio fali ciśnienia i prędkości, średnia energia ε fali dźwiękowej to:

Intensywność dźwięku

Dźwięk można scharakteryzować za pomocą wielkości zwanej intensywność.

Intensywność dźwięku jest zdefiniowana jako energia, która odbywa się w sekundzie przez jednostkę powierzchniową, która jest prostopadła do kierunku propagacji dźwięku.

Ponieważ energia na jednostkę czasu jest moc P, Intensywność dźwięku Siema Można to wyrazić jako:

Może ci służyć: durometr: po co to jest, jak działa, części, typy

Gdzie I to średnia energia, DO to obszar i T Już czas. Jeśli sferyczna powierzchnia radia R ma otaczać Sonora Fuente, której obszar wynosi 4πr², Intensywność dźwięku pozostaje:

Chłopaki

Każdy rodzaj fali dźwiękowej ma charakterystyczną częstotliwość i nosi pewną energię. Wszystko to określa jego zachowanie akustyczne. Ponieważ dźwięk jest tak ważny dla życia ludzkiego, rodzaje dźwięków są podzielone na trzy duże grupy, zgodnie z słyszalnym zakresem częstotliwości dla ludzi:

- Infrasonido, którego częstotliwość jest mniejsza niż 20 Hz.

- Widmo słyszalne, z częstotliwościami od 20:00 do 20.000 Hz.

- Ultradźwięki, o częstotliwościach większych niż 20.000 Hz.

Ton dźwięku, czyli, jeśli jest on ostry, poważny lub średni, zależy od częstotliwości. Najniższe częstotliwości są interpretowane jako poważne dźwięki, w przybliżeniu od 20 do 400 Hz.

Częstotliwości od 400 do 1600 Hz są uważane za tony środkowe, podczas gdy ostre wahają się od 1600 do 20.000 Hz. Ostre dźwięki są lekkie i penetrujące, podczas gdy bas jest postrzegany jako głębszy i opóźniony.

Dźwięki, które są codziennie słyszane, to złożone nakładki dźwięków z różnymi kolejnymi częstotliwościami.

Dźwięk ma inne cechy oprócz częstotliwości, które mogą służyć jako kryteria ich klasyfikacji. Ich przykład to dzwon, czas trwania i intensywność.

Wyrównanie składa się z filtrów, które eliminują hałas i zwiększają niektóre częstotliwości, aby poprawić jakość dźwięku. Źródło: Pixabay.

Hałas

Ważne jest również, aby rozróżnić pożądane i niechciane dźwięki lub hałas. Ponieważ zawsze stara się wyeliminować hałas, jest to klasyfikowane według intensywności i okresu w:

- Ciągły hałas.

- Wahający się hałas.

- Hałas impulsywny.

Lub przez kolory, powiązane z jego częstotliwością:

- Różowy hałas (podobny do ”Shhhhhh”).

- Biały szum (podobny do ”PSSSSSS”).

- Brown Hałas (autor: Robert Brown, odkrywca ruchu Browna, to hałas, który znacznie sprzyja niskim częstotliwościom).

Aplikacje

Zastosowanie podane do energii akustycznej zależy od rodzaju stosowanej fali dźwiękowej. W zakresie fal słyszalnych uniwersalne wykorzystanie dźwięku polega na umożliwieniu bliskiej komunikacji, nie tylko między ludźmi, ponieważ zwierzęta również komunikują się z emitującymi dźwiękami.

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

Wiele zwierząt wykorzystuje energię dźwiękową, aby znajdować się w przestrzeni, a także do uchwycenia swojej ofiary. Emitują sygnały akustyczne i mają narządy receptora, które analizują odbite sygnały. W ten sposób otrzymują informacje o odległościach.

Ludzie brakuje narządów niezbędnych do wykorzystania energii dźwiękowej w ten sposób. Jednak stworzyli urządzenia wskazówek, takie jak Sónar, w oparciu o te same zasady, aby ułatwić nawigację.

Z drugiej strony ultradźwięki to fale dźwiękowe, których aplikacje są dobrze znane. W medycynie są wykorzystywane do uzyskania obrazów z wnętrza ludzkiego ciała. Są również częścią leczenia niektórych stanów, takich jak zapalenie ścięgien i ścięgna.

Niektóre zastosowania energii akustycznej

- Z ultradźwiękami o wysokiej energii, kamieniami lub obliczeniami, które powstają w nerkach i pęcherzyka żółciowym, można zniszczyć z powodu wytrącania soli mineralnych w tych narządach.

Może ci służyć: tlenek krzemu (SiO2): struktura, właściwości, użycie, uzyskiwanie

- W ultradźwiękach geofizycznych są stosowane jako metody poszukiwania. Jego zasady są podobne do zasad metod sejsmicznych. Można je stosować w zastosowaniach, od określania kształtu ulgi oceanicznej do świadków w celu obliczenia modułów sprężystości.

- W technologii żywności są one wykorzystywane do wyeliminowania mikroorganizmów odpornych na wysokie temperatury, a także do poprawy niektórych tekstur i cech żywności.

Zalety

Energia akustyczna ma zalety, które w dużej mierze wynikają z niskiego zakresu. Na przykład produkcja nie jest kosztowna i nie generuje chemikaliów ani innych rodzajów, ponieważ szybko rozprasza się w środku.

Jeśli chodzi o akustyczne źródła energii, są one liczne. Każdy obiekt zdolny do wibracji może stać się źródłem dźwięku.

W przypadku zastosowań medycznych, na przykład uzyskiwania obrazów przez ultradźwięki, ma tę zaletę, że nie używa promieniowania jonizujące. Faktem jest, że promieniowanie jonizujące może powodować uszkodzenie komórek.

Ich użycie wymaga również środków ochrony potrzebnych podczas stosowania promieniowania jonizującego. Zespoły są również tańsze.

Również energia ultradźwiękowa jest nieinwazyjną metodą wyeliminowania wyżej wymienionych obliczeń nerek i żółci, unikając w ten sposób zabiegów chirurgicznych.

Zasadniczo nie generuje zanieczyszczenia ani w powietrzu, ani na wodach. Ale wiadomo, że na morzach występuje zanieczyszczenie hałasem, z powodu działalności człowieka, takich jak intensywne połowy, perspektywy geofizyczne i transport.

Niedogodności

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

Jednym z niewielu jest to, że wielkie dźwięki intensywności mogą uszkodzić strukturę błony bębenkowej, a z czasem sprawiają, że ludzie ciągle narażone tracą wrażliwość.

Bardzo hałaśliwe środowiska powodują stres i dyskomfort u ludzi. Kolejną wadą jest być może fakt, że energia akustyczna nie służy do przemieszczania obiektów, ponieważ bardzo trudno jest skorzystać z wibracji, aby wpływać na stałe obiekty.

Jest tak, ponieważ dźwięk zawsze wymaga istnienia środków do rozprzestrzeniania się, a zatem jest łatwo osłabiony. Oznacza to, że energia dźwiękowa jest wchłaniana w środku szybciej niż energia innych rodzajów fal, na przykład elektromagnetyczna.

Z tego powodu energia fal dźwiękowych jest stosunkowo krótka -w powietrzu. Dźwięk jest wchłaniany przez struktury i obiekty podczas rozprzestrzeniania się, a jego energia stopniowo rozprasza się w cieple.

Oczywiście jest to związane z ochroną energii: energia nie jest niszczona, ale zmiany kształtu. Wibracje cząsteczek w powietrzu są nie tylko przekształcane w zmiany ciśnienia, które powodują dźwięk. Wibracje również powodują ciepło.

Absorpcja dźwięku w materiałach

Kiedy fale dźwiękowe wpływają na materiał taki jak ściana z cegły, część energii jest odbijana. Inna część jest rozpraszana w cieple, dzięki wibracjom molekularnym zarówno powietrza, jak i materiału; I wreszcie pozostała część przecina materiał.

Zatem 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 do odbicia.

Może ci służyć: czerwony krasnolud

W rzeczywistości istnieją powierzchnie, które są w stanie wytwarzać wiele o nazwie Pogłos. Zwykle występuje w małych przestrzeniach i unika się przez umieszczenie materiału izolacyjnego, aby w ten sposób emitowane fale i osoby odzwierciedlone nie nakładają się na utrudnianie słuchu.

W trakcie propagacji fala akustyczna doświadczy wszystkich tych kolejnych strat, aż w końcu energia zostanie całkowicie wchłonięta na środku. Co oznacza, że ​​został przekształcony w energię kaloryczną.

Istnieje wielkość do oceny zdolności materiału do wchłaniania dźwięku. Nazywa się współczynnikiem absorpcji. Jest oznaczony jako α i jest to przyczyną między wchłonięta energia I_Abs i Energia incydentu I_Inc, Wszyscy odnoszą się do danego materiału. Wyraża matematycznie takie:

α = e_Abs/I_Inc

Maksymalna wartość α wynosi 1 (całkowicie pochłania dźwięk), a minimum wynosi 0 (niech cały dźwięk przechodzi).

Dźwięk może być wadą w wielu okazjach, gdy preferowana jest cisza. Na przykład samochody są instalowane tłumiki w celu amortyzowania szumu silnika. Do innych urządzeń, takich jak pompy wodne i rośliny elektryczne.

Izolacja akustyczna jest ważna w badaniu rejestracyjnym. Źródło: Pixabay.

Przykłady energii dźwiękowej

Energia dźwięku jest wszędzie. Oto prosty przykład, który ilustruje właściwości dźwięku i jego energię z ilościowego punktu widzenia.

Ćwiczenie rozwiązane

0,1 g szpilka masy spada z wysokości 1m. Zakładając, że 0,05 % jego energii staje się impulsem dźwiękowym o czasie trwania 0.1 s, oszacuj, jaka jest maksymalna odległość, z jaką można usłyszeć upadek szpilki. Weź się jako minimalna słyszalna intensywność dźwięku 10^-8 W/m².

Rozwiązanie

Zastosowane zostanie równanie wcześniej podane dla intensywności dźwięku:

Dobre pytanie brzmi: skąd pochodzi energia dźwięku.

Odpowiedź jest w grawitacyjnej energii potencjalnej. Właśnie dlatego, że szpilka spada z pewnej wysokości, do której miał energię potencjalną, ponieważ spada, przekształca tę energię w energię kinetyczną.

A gdy wpłynie na ziemię, energia jest przenoszona do cząsteczek powietrza otaczającego miejsce upadku, co powoduje powstanie dźwięku.

Grawitacyjna energia potencjalna LUB Jest:

U = mgh

Gdzie M To ciasto szpilki, G Jest to przyspieszenie grawitacji i H Jest to wysokość, z której spadł. Zastępując te wartości numeryczne, ale nie przed dokonywaniem odpowiednich konwersji w międzynarodowym systemie jednostek, masz:

U = 0.1 x 10^-3 x 9.8 x 1 j = 0.00098 J

Oświadczenie mówi, że z tej energii tylko 0.05 % przekształca się, aby zwiększyć impuls dźwiękowy, to znaczy tintineo. Dlatego energia dźwiękowa jest:

I_dźwięk= 4.9 x 10^-7 J

Z równania intensywności radio jest wyczyszczone R a wartości energii dźwiękowej są wymieniane i_dźwięk I czas, który trwał puls: 0.1 s zgodnie z oświadczeniem.

Dlatego maksymalna odległość, do której upadek pinu będzie słyszalny, wynosi 6.24 m wokół.

Bibliografia

1. Giancoli, zm.  2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. Szósta edycja. Prentice Hall. 332 - 359.
2. Kinsler, L. (2000). Podstawy akustyczne. Czwarty edycja. Wiley & Sons. 124-125.