ЗВУЧНА ЕНЕРГИЈА: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ВРСТЕ, УПОТРЕБЕ, ПРЕДНОСТИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Звучна енергија или акустични која носи звучне таласе као што пропагирају у медијуму, што може бити гас, као што ваздух, течност или чврста супстанца. Људи и многе животиње користе акустичну енергију за интеракцију са околином.

За то имају специјализоване органе, на пример гласнице, способне да производе вибрације. Ове вибрације се преносе у ваздуху како би дошле до других специјализованих органа задужених за њихову интерпретацију.

Акустичка енергија се преводи у музику кроз звук кларинета. Извор: Пикабаи

Вибрације изазивају узастопне компресије и ширења у ваздуху или медијуму који окружује извор, који се шире одређеном брзином. Нису честице које путују, већ једноставно осцилирају у односу на свој равнотежни положај. Узнемиреност је оно што се преноси.

Сада, као што је познато, предмети који се крећу имају енергију. Дакле, таласи док путују у медијуму такође носе са собом енергију повезану са кретањем честица (кинетичку енергију), као и енергију коју тај медиј интринзично поседује, познату и као потенцијалну енергију.

карактеристике

Као што је познато, предмети који се крећу имају енергију. Исто тако, таласи док путују у медијуму носе са собом енергију повезану са кретањем честица (кинетичку енергију) и енергију деформације медијума или потенцијалне енергије.

Претпостављајући врло мали део медијума, који може бити ваздух, свака честица са брзином у, има кинетичку енергију К коју даје:

Даље, честица има потенцијалну енергију У која зависи од промене запремине коју доживљава, где је Во почетни волумен, В је крајњи волумен и п је притисак, који зависи од положаја и времена:

Негативни знак указује на повећање потенцијалне енергије, јер ширећи талас делује на елемент запремине дВ када га компримира, захваљујући позитивном звучном притиску.

Маса течног елемента у односу на почетну густину ρ _о и почетну запремину В _о је:

И како се маса чува (принцип очувања масе):

Стога је укупна енергија таква:

Израчунавање потенцијалне енергије

Интеграл се може решити коришћењем принципа очувања масе

Дериват константе је 0, па је (ρ В) '= 0. Дакле:

Исак Њутн је утврдио да:

(дп / дρ) = ц ²

Где ц представља брзину звука у предметној течности. Заменом горе наведеног у интегралу добија се потенцијална енергија медијума:

Ако су А _п и А _в амплитуде таласног таласа и брзине, просечна енергија ε звучног таласа је:

Звук се може карактерисати количином која се зове интензитет.

Интензитет звука се дефинише као енергија која у једној секунди пролази кроз јединицу која је окомита на смер ширења звука.

Пошто је енергија по јединици времена снага П, интензитет звука И може се изразити као:

Свака врста звучног таласа има карактеристичну фреквенцију и носи одређену енергију. Све то одређује његово акустично понашање. Како је звук толико важан за људски живот, врсте звукова су сврстане у три велике групе, у складу са распоном фреквенција које се могу чути код људи:

- Инфразвук, чија фреквенција је мања од 20 Хз.

- Звучни спектар, са фреквенцијама од 20 Хз до 20 000 Хз.

- Ултразвук, са фреквенцијама већим од 20 000 Хз.

Висина звука, односно да ли је висок, низак или средњи, зависи од фреквенције. Ниже фреквенције тумаче се као бас звукови, отприлике између 20 и 400 Хз.

Фреквенције између 400 и 1600 Хз сматрају се средњим тоновима, док се високи крећу од 1600 до 20 000 Хз. Високи звуци су лагани и продорни, док се бас доживљава као дубљи и громогласнији.

Звукови које чујете сваки дан су сложени прекривачи звукова различитих фреквенција у непосредној близини.

Звук има друге квалитете осим фреквенције, које могу послужити као критеријуми за његову класификацију. Примери су тембре, трајање и интензитет.

Еквилајзер се састоји од филтера који уклањају буку и појачавају одређене фреквенције како би побољшали квалитет звука. Извор: Пикабаи.

Шум

Такође је важно направити разлику између жељених звукова и нежељених звукова или буке. Пошто се увек тражи уклањање буке, класификује се према интензитету и периоду у:

- Стални шум.

- Ниво буке.

- Импулсивни шум.

Или бојама, везаним за њихову учесталост:

- Ружичасти шум (слично као "шшхххх").

- бели шум (слично „пссссссс“).

- Смеђи бука (Роберт Бровн, откривач Бровнијевог покрета, је бука која у великој мери погодује ниским фреквенцијама).

Апликације

Употреба која се даје акустичној енергији зависи од врсте звучног таласа који се користи. У опсегу звучних таласа, универзална употреба звука је да омогући блиску комуникацију, не само између људи, јер животиње такође комуницирају емитујући звукове.

Звукови су свестрани. Свако се разликује према извору који га емитује. На овај начин је разноликост звукова у природи бесконачна: сваки људски глас је различит, као и карактеристични звукови које животињске врсте користе да комуницирају једна са другом.

Многе животиње користе звучну енергију да би се лоцирале у свемиру, а такође и да би ухватиле свој плен. Они емитују звучне сигнале и имају рецепторе који анализирају рефлексне сигнале. На тај начин добијају информације о даљинама.

Људским бићима недостају органи потребни за коришћење звучне енергије на овај начин. Међутим, направили су уређаје за оријентацију попут сонара, засновани на истим принципима, како би се олакшала навигација.

Са друге стране, ултразвуци су звучни таласи чија је примена добро позната. У медицини се користе за добијање слика унутрашњости људског тела. Такође су део лечења неких стања, као што су лумбаго и тендонитис.

Неке примене акустичне енергије

- Високоенергетским ултразвуком камење или калкули који се формирају у бубрезима и жучној кесици због таложења минералних соли у тим органима могу се уништити.

- У геофизици се ултразвук користи као метода испитивања. Њени принципи су слични принципима сеизмичких метода. Могу се користити у апликацијама у распону од одређивања облика океана до рељефа до израчунавања еластичних модула.

- У прехрамбеној технологији користе се за уклањање микроорганизама отпорних на високе температуре, као и за побољшање неких текстура и квалитета хране.

Предност

Акустична енергија има предности које су највећим делом последица кратког домета. На пример, произвести је јефтино и не ствара хемијски или други отпад, јер се брзо распада у медијуму.

Што се тиче извора акустичне енергије, они су бројни. Било који објект који може вибрирати може постати извор звука.

Када се користи у медицинским применама, као што је ултразвучно снимање, она има предност што не користи јонизујуће зрачење, као што су рендгенски зраци или томографија. Чињеница је да јонизујуће зрачење може проузроковати оштећење ћелија.

Његова употреба не захтева мере заштите које су потребне када се примењује јонизујуће зрачење. Комплети су такође јефтинији.

Исто тако, ултразвучна енергија је неинвазивна метода за уклањање горе споменутих бубрежних и жучних каменаца, чиме се избегавају хируршки захвати.

У принципу не ствара загађење ни у ваздуху ни у водама. Али познато је да у морима постоји загађење буком, узроковано људским активностима попут интензивног риболова, геофизичких истраживања и транспорта.

Недостаци

Тешко је размишљати о недостацима које феномен може бити тако природан као што је звук.

Једна од ретких је да гласни звукови могу оштетити структуру бубне слузнице, а током времена људи који непрестано излажу губе осећај.

Крај врло бучних окружења узрокује стрес и нелагоду код људи. Други недостатак је можда чињеница да се акустичка енергија не користи за померање објеката, што отежава искориштавање вибрација за утицај на чврсте објекте.

То је зато што звук увек захтева постојање медија да би се могао ширити, и зато је лако ослабљен. Другим речима, звучна енергија се апсорбује у медију брже од енергије других типова, на пример електромагнетних.

Из тог разлога је енергија звучних таласа у ваздуху релативно кратког домета. Звук апсорбује структуре и предмете док се шири, а његова енергија постепено се распршује у топлину.

Наравно, то је повезано са очувањем енергије: енергија се не уништава, већ мења облик. Вибрације молекула у ваздуху не трансформишу се само у промене притиска које производе звук. Вибрације такође стварају топлоту.

Апсорпција звука у материјалима

На пример, када звучни таласи ударају о материјал попут зидова од опеке, део енергије се рефлектује. Други део се распршује у топлоти захваљујући молекуларној вибрацији ваздуха и материјала; и на крају преостала фракција пролази кроз материјал.

Тако се звучни таласи могу одразити на исти начин као што то чини светлост. Одраз звука познат је под називом "одјек". Што је површина крутија и уједначенија, то је већа способност рефлексије.

У ствари, постоје површине које могу произвести вишеструке рефлексије које се називају одбојци. Обично се то догађа у малим просторима и избегава се постављањем изолационог материјала, тако да се на тај начин емитирани и рефлексни таласи не преклапају, што отежава слух.

Током свог ширења, акустични талас ће доживети све ове узастопне губитке док се напокон енергија потпуно не апсорбује у медијуму. Што значи да је трансформисана у топлотну енергију.

Постоји величина за квантификацију способности материјала да апсорбује звук. Зове се коефицијент апсорпције. Означен је као α, а то је однос између апсорбоване енергије Е _апс и упадне енергије Е _инц , а све се односи на предметни материјал. Математички се изражава овако:

α = Е _абс / Е _инц

Максимална вредност α је 1 (потпуно апсорбује звук), а минимална 0 (пушта сав звук).

Звук може бити недостатак у многим приликама када се преферира тишина. На пример, аутомобили су опремљени пригушивачима како би пригушили буку мотора. И на друге уређаје попут пумпи за воду и електрана.

Звучна изолација је важна у студију за снимање. Извор: Пикабаи.

Примери звучне енергије

Звучна енергија је свуда. Ево једноставног примера који илуструје својства звука и његову енергију са квантитативне тачке гледишта.

Вежба решена

Ступ масе 0,1 г пада са висине од 1 м. Претпостављајући да се 0,05% његове енергије претвара у звучни пулс у трајању од 0,1 с, процените максималну удаљеност на којој се може чути пад пинова. Као минимални звучни интензитет звука узмите 10 ^-8 В / м ² .

Решење

Горе наведена једначина користиће се за интензитет звука:

Добро је питање одакле долази у овом случају звучна енергија, чији интензитет детектира ухо.

Одговор је у гравитационој потенцијалној енергији. Управо зато што иглица пада са одређене висине, на којој је имала потенцијалну енергију, док пада, трансформише ту енергију у кинетичку енергију.

А кад једном падне на земљу, енергија се преноси молекулама ваздуха који окружују место судара, стварајући звук.

Гравитациона потенцијална енергија У је:

Где је м маса игле, г је убрзање гравитације, а х је висина са које је пао. Замењујући ове нумеричке вредности, али не пре него што извршите одговарајуће конверзије у Међународном систему јединица, имамо:

У = 0,1 к 10 ^-3 к 9,8 к 1 Ј = 0,00098 Ј

У изјави се каже да се од ове енергије само 0,05% трансформише да би се створио звучни пулс, тј. Трескање игле када удари о земљу. Стога је звучна енергија:

Е _звук = 4,9 к 10 ^-7 Ј

Из једнаџбе интензитета очисти се радијус Р, а вредности звучне енергије Е _звука и време трајања импулса замењују се : 0,1 с према изјави.

Стога је максимална удаљеност на којој ће се чути пад пинова 6,24 м у свим смјеровима.

Референце

1. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. Шесто издање. Прентице Халл. 332-359.
2. Кинслер, Л. (2000). Основе акустике. Четврто издање Вилеи & Сонс. 124-125.