AKUSTICKÁ ENERGIA: VLASTNOSTI, TYPY, POUŽITIE, VÝHODY, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Zvuková energia alebo akustický, ktorý je nesie zvukové vlny, ako sa šíri v médiu, ktoré môže byť plyn, ako napríklad vzduch, kvapaliny alebo pevné látky. Ľudia a mnoho zvierat používajú akustickú energiu na interakciu s prostredím.

Na tento účel majú špecializované orgány, napríklad hlasivky, schopné vyvolať vibrácie. Tieto vibrácie sa prenášajú vo vzduchu, aby sa dostali do iných špecializovaných orgánov zodpovedných za ich interpretáciu.

Akustická energia sa premieňa na hudbu prostredníctvom zvuku klarinetu. Zdroj: Pixabay

Vibrácie spôsobujú postupné kompresie a expanzie vo vzduchu alebo v médiu obklopujúcom zdroj, ktoré sa šíria určitou rýchlosťou. Nie sú to častice, ktoré cestujú, ale jednoducho oscilujú vzhľadom na svoju rovnovážnu polohu. Porucha je to, čo sa prenáša.

Teraz, ako je známe, objekty, ktoré sa pohybujú, majú energiu. Vlny, ktoré sa pohybujú v médiu, tak tiež nesú so sebou energiu spojenú s pohybom častíc (kinetická energia) a tiež energiu, ktorú uvedené médium vlastne má, známu ako potenciálna energia.

vlastnosti

Ako je známe, pohybujúce sa objekty majú energiu. Podobne vlny, keď sa pohybujú v médiu, nesú so sebou energiu spojenú s pohybom častíc (kinetická energia) a tiež energiu deformácie média alebo potenciálnej energie.

Za predpokladu, že veľmi malá časť média, ktorým môže byť vzduch, každá častica s rýchlosťou u, má kinetickú energiu K danú:

Ďalej má častica potenciálnu energiu U, ktorá závisí od zmeny objemu, ktorú zažije, kde Vo je počiatočný objem, V je konečný objem ap je tlak, ktorý závisí od polohy a času:

Záporné znamenie označuje zvýšenie potenciálnej energie, pretože šíriaca sa vlna pôsobí pri jej stlačení na objemový prvok dV vďaka pozitívnemu akustickému tlaku.

Hmotnosť tekutinového prvku z hľadiska počiatočnej hustoty ρ _o a počiatočného objemu V _o je:

A ako je hmota konzervovaná (princíp zachovania hmoty):

Preto je celková energia takto:

Výpočet potenciálnej energie

Integrál sa dá vyriešiť pomocou princípu zachovania hmoty

Derivácia konštanty je 0, takže (ρ V) '= 0. Preto:

Isaac Newton rozhodol, že:

(dp / dρ) = c ²

Kde c predstavuje rýchlosť zvuku v danej tekutine. Nahradením vyššie uvedeného integrálu sa získa potenciálna energia média:

Ak A _p a A _v sú amplitúdy tlakovej vlny a rýchlosti, respektíve, priemerná energie ε zvukové vlny je:

Zvuk môže byť charakterizovaný množstvom nazývaným intenzita.

Intenzita zvuku je definovaná ako energia, ktorá prechádza za jednu sekundu jednotkovou plochou, ktorá je kolmá na smer šírenia zvuku.

Pretože energia za jednotku času je výkon P, intenzitu zvuku I možno vyjadriť ako:

Každý typ zvukovej vlny má charakteristickú frekvenciu a nesie určitú energiu. To všetko určuje jeho akustické správanie. Keďže zvuk je pre ľudský život taký dôležitý, typy zvukov sa klasifikujú do troch veľkých skupín podľa rozsahu frekvencií, ktoré sú počuteľné pre človeka:

- infrazvuk, ktorého frekvencia je menšia ako 20 Hz.

- zvukové spektrum s frekvenciami v rozsahu od 20 Hz do 20 000 Hz.

- Ultrazvuk s frekvenciami vyššími ako 20 000 Hz.

Rozstup zvuku, to znamená, či je vysoký, nízky alebo stredný, závisí od frekvencie. Dolné frekvencie sa interpretujú ako basové zvuky, približne medzi 20 a 400 Hz.

Frekvencie medzi 400 a 1600 Hz sa považujú za stredné tóny, zatiaľ čo najvyššie hodnoty sa pohybujú od 1600 do 20 000 Hz. Vysoko rozložené zvuky sú ľahké a prenikavé, zatiaľ čo basy sa vnímajú ako hlbšie a prudko sa rozvíjajúce.

Zvuky, ktoré počujete každý deň, sú zložité prekrytia zvukov s rôznymi frekvenciami v tesnej blízkosti.

Zvuk má vlastnosti iné ako frekvencia, ktoré môžu slúžiť ako kritériá pre jeho klasifikáciu. Príkladom je zafarbenie, trvanie a intenzita.

Ekvalizér sa skladá z filtrov, ktoré odstraňujú šum a zvyšujú určité frekvencie na zlepšenie kvality zvuku. Zdroj: Pixabay.

Hluk

Je tiež dôležité rozlišovať medzi hľadanými zvukmi a nežiaducimi zvukmi alebo šumom. Pretože sa hluk vždy snaží eliminovať, klasifikuje sa podľa intenzity a periódy v:

- Nepretržitý hluk.

- Kolísavý hluk.

- Impulzný hluk.

Alebo podľa farieb, ktoré súvisia s ich frekvenciou:

- Ružový šum (podobný ako „shhhhhh“).

- Biely šum (podobný ako „psssssss“).

- Hluk hnedý (Robert Brown, objaviteľ Brownovho pohybu, je hluk, ktorý výrazne uprednostňuje nízke frekvencie).

aplikácia

Použitie akustickej energie závisí od typu použitej zvukovej vlny. V rozsahu počuteľných vĺn je univerzálnym použitím zvuku umožniť úzku komunikáciu nielen medzi ľuďmi, pretože zvieratá komunikujú aj vysielaním zvukov.

Zvuky sú všestranné. Každý sa líši podľa zdroja, ktorý ho emituje. Týmto spôsobom je rozmanitosť zvukov v prírode nekonečná: každý ľudský hlas je iný, ako aj charakteristické zvuky, ktoré živočíšne druhy používajú na vzájomnú komunikáciu.

Mnoho zvierat využíva energiu zvuku na lokalizáciu v priestore a na zachytenie svojej koristi. Vysielajú akustické signály a majú receptorové orgány, ktoré analyzujú odrážané signály. Týmto spôsobom získajú informácie o vzdialenostiach.

Ľudským bytostiam chýbajú orgány potrebné na použitie zvukovej energie týmto spôsobom. Na uľahčenie navigácie však na základe rovnakých princípov vytvorili orientačné zariadenia ako sonar.

Na druhej strane sú ultrazvukom zvukové vlny, ktorých aplikácie sú dobre známe. V medicíne sa používajú na získanie snímok o vnútornom povrchu ľudského tela. Sú tiež súčasťou liečby niektorých stavov, ako je lumbago a zápal šliach.

Niektoré aplikácie akustickej energie

- Pri vysokoenergetickom ultrazvuku sa môžu kamene alebo kamene, ktoré sa tvoria v obličkách a žlčníku, zničiť v dôsledku zrážania minerálnych solí v týchto orgánoch.

- V geofyzike sa ako metódy prieskumu používa ultrazvuk. Jeho princípy sú podobné princípom seizmických metód. Môžu byť použité v aplikáciách od určenia tvaru oceánu po reliéf až po výpočet elastických modulov.

- V potravinárskej technológii sa používajú na odstránenie mikroorganizmov rezistentných na vysoké teploty, ako aj na zlepšenie niektorých textúr a kvality potravín.

výhoda

Akustická energia má výhody, ktoré sú do značnej miery spôsobené jej krátkym dosahom. Napríklad je lacná výroba a nevytvára chemické ani iné odpady, pretože sa rýchlo rozptýli v médiu.

Pokiaľ ide o zdroje akustickej energie, sú početné. Zdrojom zvuku sa môže stať akýkoľvek objekt schopný vibrovania.

Pri použití v lekárskych aplikáciách, ako je napríklad ultrazvuk, má tú výhodu, že sa nepoužije ionizujúce žiarenie, ako sú röntgenové lúče alebo tomografia. Je faktom, že ionizujúce žiarenie môže spôsobiť poškodenie buniek.

Jeho použitie nevyžaduje ochranné opatrenia, ktoré sú potrebné pri aplikácii ionizujúceho žiarenia. Sady sú tiež lacnejšie.

Podobne je ultrazvuková energia neinvazívna metóda na odstránenie vyššie uvedených obličiek a žlčových kameňov, čím sa predchádza chirurgickým zákrokom.

V zásade nespôsobuje znečistenie ani vo vzduchu, ani vo vodách. Je však známe, že v moriach je hluk spôsobený ľudskými činnosťami, ako je intenzívny rybolov, geofyzikálny prieskum a preprava.

nevýhody

Je ťažké premýšľať o nevýhodách, ktoré môže mať jav taký prirodzený ako zvuk.

Jedným z mála je, že hlasné zvuky môžu poškodiť štruktúru bubienka a postupom času môžu neustále vystavení ľudia strácať svoje pocity.

Veľmi hlučné prostredie nakoniec u ľudí spôsobuje stres a nepohodlie. Ďalšou nevýhodou je možno skutočnosť, že na pohyb objektov sa nepoužíva akustická energia, čo veľmi sťažuje využitie vibrácií na ovplyvnenie pevných predmetov.

Dôvodom je, že zvuk si vždy vyžaduje šírenie, a preto je ľahko utlmený. Inými slovami, zvuková energia je absorbovaná do média rýchlejšie ako energia iných typov vĺn, napríklad elektromagnetických.

Z tohto dôvodu je energia zvukových vĺn vo vzduchu relatívne krátka. Zvuk sa pri šírení absorbuje štruktúrami a objektmi a jeho energia sa postupne rozptyľuje v teplo.

Toto samozrejme súvisí s ochranou energie: energia sa nezničí, ale zmení sa forma. Vibrácie molekúl vo vzduchu sa nielen premieňajú na zmeny tlaku, ktoré vedú k zvuku. Vibrácie tiež spôsobujú teplo.

Absorpcia zvuku v materiáloch

Keď napríklad zvukové vlny zasiahnu materiál, napríklad tehlovú stenu, odrazí sa časť energie. Ďalšia časť sa rozptyľuje v teplom vďaka molekulárnym vibráciám vzduchu a materiálu; a nakoniec zostávajúca frakcia prechádza materiálom.

Zvukové vlny sa tak môžu odrážať rovnakým spôsobom ako svetlo. Odraz zvuku je známy ako „echo“. Čím je povrch pevnejší a rovnomernejší, tým väčšia je schopnosť odrážať sa.

V skutočnosti existujú povrchy, ktoré sú schopné vytvárať viacnásobné odrazy nazývané dozvuky. Zvyčajne sa to deje v malých priestoroch a je tomu zabránené umiestnením izolačného materiálu tak, aby sa emitované a odrazené vlny neprekrývali, čo sťažuje sluch.

Akustická vlna bude po celú dobu svojho šírenia zažiť všetky tieto následné straty, až kým sa energia v médiu úplne nevstrebe. Čo znamená, že sa zmenil na tepelnú energiu.

Je možné kvantifikovať schopnosť materiálu absorbovať zvuk. Nazýva sa to absorpčný koeficient. Označuje sa ako a je to pomer medzi absorbovanou energiou E _abs a dopadajúcou energiou E _inc , všetky sa vzťahujú na príslušný materiál. Vyjadruje sa matematicky takto:

a = E _abs / E _inc

Maximálna hodnota α je 1 (úplne absorbuje zvuk) a minimum je 0 (prepúšťa všetok zvuk).

Ak je preferované ticho, zvuk môže byť v mnohých prípadoch nevýhodou. Napríklad automobily sú vybavené tlmičmi hluku na tlmenie hluku motora. Pre ďalšie zariadenia, ako sú vodné čerpadlá a elektrárne.

Zvuková izolácia je dôležitá v nahrávacom štúdiu. Zdroj: Pixabay.

Príklady zvukovej energie

Zvuková energia je všade. Tu je jednoduchý príklad, ktorý ilustruje vlastnosti zvuku a jeho energiu z kvantitatívneho hľadiska.

Cvičenie bolo vyriešené

Čap s hmotnosťou 0,1 g padá z výšky 1 m. Za predpokladu, že 0,05% jeho energie sa premení na zvukový impulz trvajúci 0,1 s, odhadnite maximálnu vzdialenosť, pri ktorej je možné počuť pokles čapu. Zoberte ako minimálnu zvukovú intenzitu zvuku 10 - ⁸ W / m ² .

Riešenie

Uvedená rovnica sa použije pre intenzitu zvuku:

Dobrá otázka je, odkiaľ zvuková energia pochádza z tohto prípadu, z toho, ktorej intenzitu ľudské ucho detekuje.

Odpoveď je v energii gravitačného potenciálu. Presne preto, že kolík padá z určitej výšky, v ktorej mal potenciálnu energiu, keď padá, premieňa túto energiu na kinetickú energiu.

Akonáhle dopadne na zem, energia sa prenesie do molekúl vzduchu, ktoré obklopujú miesto nehody, čo vedie k zvuku.

Gravitačný potenciál energie U je:

Ak m je hmotnosť čapu, g je gravitačné zrýchlenie a h je výška, z ktorej spadol. Nahradením týchto číselných hodnôt, ale nie pred uskutočnením zodpovedajúcich konverzií v medzinárodnom systéme jednotiek, máme:

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

Vo vyhlásení sa uvádza, že z tejto energie sa transformuje iba 0,05%, aby sa vytvoril zvukový impulz, t. Zvuková energia je preto:

_Zvuk E = 4,9 x ^10-7 J

Z rovnice intenzity, je polomer R sa zruší a hodnoty E zvukovej energie _zvuku a doba, po ktorú trvalo pulzu sú substituované : 0,1 s podľa vyjadrenia.

Preto maximálna vzdialenosť, pri ktorej bude kolík spadnúť, je vo všetkých smeroch 6,24 m.

Referencie

1. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. Šieste vydanie. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Základy akustiky. 4. vydanie, Wiley & Sons. 124-125.