ZVOČNA ENERGIJA: ZNAČILNOSTI, VRSTE, UPORABE, PREDNOSTI, PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Zvočno energijo ali akustično, ki nosi zvočne valove, saj širijo v mediju, ki je lahko plin, kot zrak, tekočem ali trdnem. Ljudje in številne živali uporabljajo zvočno energijo za interakcijo z okoljem.

Za to imajo specializirane organe, na primer glasovne vrvice, ki lahko proizvajajo vibracije. Te vibracije se prevažajo v zraku, da dosežejo druge specializirane organe, odgovorne za njihovo razlago.

Akustična energija se v glasbo prevede z zvokom klarineta. Vir: Pixabay

Vibracije povzročajo zaporedne stiske in širitve v zraku ali mediju, ki obdaja vir, ki se širijo z določeno hitrostjo. Delci ne potujejo, ampak preprosto nihajo glede na ravnotežni položaj. Motnja je tisto, kar se prenaša.

Zdaj, kot je znano, predmeti, ki se premikajo, imajo energijo. Tako valovi, ki potujejo v mediju, nosijo s seboj tudi energijo, povezano z gibanjem delcev (kinetično energijo), in tudi energijo, ki jo omenjeni medij lastno poseduje, znano kot potencialno energijo.

značilnosti

Kot je znano, predmeti, ki se premikajo, imajo energijo. Prav tako valovi, ko potujejo po mediju, nosijo s seboj energijo, povezano z gibanjem delcev (kinetično energijo) in tudi energijo deformacije medija ali potencialne energije.

Če predpostavimo, da ima zelo majhen del medija, ki ima zrak, vsak delček s hitrostjo u ima kinetično energijo K, ki jo poda:

Poleg tega ima delček potencialno energijo U, ki je odvisna od spremembe prostornine, ki jo doživi, ​​kjer je Vo začetni volumen, V končni volumen in p tlak, ki je odvisen od položaja in časa:

Negativni znak kaže na povečanje potencialne energije, saj razmnoževalni val deluje na volumenski element dV, ko ga stisne, zahvaljujoč pozitivnemu zvočnemu tlaku.

Masa fluidnega elementa glede na začetno gostoto ρ _o in začetni volumen V _o je:

In kako ohranjamo maso (načelo ohranjanja mase):

Zato je skupna energija takšna:

Izračun potencialne energije

Integral je mogoče rešiti po načelu ohranjanja mase

Izpeljanka konstante je 0, torej (ρ V) '= 0. Zato:

Isaac Newton je ugotovil, da:

(dp / dρ) = c ²

Če c predstavlja hitrost zvoka v zadevni tekočini. Z zamenjavo navedenega v integralu dobimo potencialno energijo medija:

Če sta A _p in A _v amplitudi tlačnega vala in hitrosti, je povprečna energija ε zvočnega vala:

Zvok lahko označimo s količino, imenovano intenzivnost.

Intenzivnost zvoka je opredeljena kot energija, ki v eni sekundi prehaja skozi enoto območja, ki je pravokotna na smer širjenja zvoka.

Ker je energija na enoto časa moč P, se intenziteta zvoka lahko izrazi kot:

Vsaka vrsta zvočnega vala ima značilno frekvenco in nosi določeno energijo. Vse to določa njeno zvočno vedenje. Ker je zvok tako pomemben za človeško življenje, se vrste zvokov razvrstijo v tri velike skupine glede na obseg frekvenc, ki jih je mogoče slišati pri ljudeh:

- Infrazvok, katerega frekvenca je manjša od 20 Hz.

- Zvočni spekter s frekvencami od 20 do 20 000 Hz.

- Ultrazvok, s frekvencami večjimi od 20.000 Hz.

Višina zvoka, to je, ali je visok, nizek ali srednji, je odvisna od frekvence. Nižje frekvence se razlagajo kot nizke frekvence, približno med 20 in 400 Hz.

Frekvenca med 400 in 1600 Hz velja za srednje tone, medtem ko se visoki gibljejo med 1600 in 20.000 Hz. Visoki zvoki so lahki in prodorni, medtem ko se basi dojemajo kot globlji in trepetajoči.

Zvoki, ki jih slišite vsak dan, so zapleteni prekrivni zvoki z različnimi frekvencami v neposredni bližini.

Zvok ima poleg frekvence tudi druge lastnosti, ki lahko služijo kot merilo za njegovo razvrstitev. Primeri teh so tember, trajanje in intenzivnost.

Izravnalnik je sestavljen iz filtrov, ki odstranjujejo hrup in povečajo določene frekvence za izboljšanje kakovosti zvoka. Vir: Pixabay.

Hrup

Prav tako je pomembno razlikovati med želenimi zvoki in neželenimi zvoki ali hrupom. Ker se hrup vedno želi odpraviti, ga razvrstimo glede na intenzivnost in obdobje v:

- Nenehni hrup.

- Nihajni hrup.

- Impulziven hrup.

Ali po barvah, vezanih na njihovo pogostost:

- Roza hrup (podobno kot "šhhhhh").

- beli hrup (podobno kot "psssssss").

- Rjavi hrup (avtor Robert Brown, odkritelj Brownovega gibanja, je hrup, ki močno daje prednost nizkim frekvencam).

Prijave

Uporaba zvočne energije je odvisna od vrste uporabljenega zvočnega vala. V območju zvočnih valov je univerzalna uporaba zvoka omogočiti tesno komunikacijo, ne samo med ljudmi, saj živali komunicirajo tudi z oddajanjem zvokov.

Zvoki so vsestranski. Vsak se razlikuje glede na vir, ki ga oddaja. Na ta način je raznolikost zvokov v naravi neskončna: vsak človeški glas je drugačen, pa tudi značilni zvoki, ki jih živalske vrste uporabljajo za komunikacijo med seboj.

Mnoge živali uporabljajo zvočno energijo za iskanje v vesolju in tudi za ulov svojega plena. Oddajajo zvočne signale in imajo organe receptorjev, ki analizirajo odbite signale. Na ta način pridobijo informacije o razdaljah.

Človeška bitja nimajo organov, potrebnih za to, da bi na ta način uporabili zvočno energijo. Vendar so ustvarili orientacijske naprave, kot je sonar, ki temeljijo na istih načelih, da olajšajo navigacijo.

Po drugi strani so ultrazvoki zvočni valovi, katerih aplikacije so dobro znane. V medicini se uporabljajo za pridobivanje slik notranjosti človeškega telesa. Prav tako so del zdravljenja nekaterih stanj, kot sta lumbago in tendonitis.

Nekatere aplikacije akustične energije

- Z visokoenergijskimi ultrazvoki lahko kamne ali kalcije, ki nastanejo v ledvicah in žolčniku zaradi obarjanja mineralnih soli v teh organih, uniči.

- V geofiziki se ultrazvok uporablja kot metoda iskanja. Njena načela so podobna načelom potresnih metod. Uporabljajo se lahko v aplikacijah, ki segajo od določanja oblike oceana do reliefa do izračuna elastičnih modulov.

- V prehrambeni tehnologiji se uporabljajo za odstranjevanje mikroorganizmov, odpornih na visoke temperature, pa tudi za izboljšanje nekaterih tekstur in lastnosti hrane.

Prednost

Akustična energija ima prednosti, ki so v veliki meri posledica kratkega dosega. Na primer, poceni je proizvajati in ne ustvarja kemičnih ali drugih odpadkov, saj se v mediju hitro razpusti.

Kar zadeva vire zvočne energije, so številni. Vsak predmet, ki lahko vibrira, lahko postane vir zvoka.

Če se uporablja v medicinskih aplikacijah, kot je ultrazvočno slikanje, ima prednost, če ne uporablja ionizirajočega sevanja, kot so rentgenski žarki ali tomografija. Dejstvo je, da lahko ionizirajoče sevanje povzroči poškodbe celic.

Njegova uporaba ne zahteva zaščitnih ukrepov, ki so potrebni pri uporabi ionizirajočega sevanja. Kompleti so tudi cenejši.

Prav tako je ultrazvočna energija neinvazivna metoda za odstranjevanje prej omenjenih ledvičnih in žolčnih kamnov, s čimer se izognemo kirurškim posegom.

Načeloma ne povzroča onesnaženja niti v zraku niti v vodah. Znano pa je, da v morjih obstaja onesnaževanje s hrupom, ki ga povzročajo človeške dejavnosti, kot sta intenziven ribolov, geofizične raziskave in prevoz.

Slabosti

Težko je razmišljati o pomanjkljivostih, ki jih ima lahko tako naraven pojav kot zvok.

Eden redkih je, da lahko glasni zvoki poškodujejo strukturo ušesne sluznice, sčasoma pa ljudje nenehno izpostavljeni izgubijo občutek.

Na koncu zelo hrupna okolja povzročajo stres in nelagodje pri ljudeh. Druga pomanjkljivost je morda dejstvo, da se akustična energija ne uporablja za premikanje predmetov, zato je zelo težko izkoristiti vibracije za vplivanje na trdne predmete.

To je zato, ker zvok vedno zahteva obstoj medija, da se lahko širi, zato ga je enostavno oslabiti. Z drugimi besedami, zvočna energija se v mediju absorbira hitreje kot energija drugih vrst valov, na primer elektromagnetnih.

Zaradi tega je energija zvočnih valov v zraku relativno kratka. Zvok absorbirajo strukture in predmeti, ko se širi, njegova energija pa se postopoma razrašča v toploto.

Seveda je to povezano z ohranjanjem energije: energija se ne uniči, ampak spremeni obliko. Vibracije molekul v zraku se ne pretvorijo samo v spremembe tlaka, ki povzročajo zvok. Tudi vibracije povzročajo toploto.

Absorpcija zvoka v materialih

Ko na primer zvočni valovi zadenejo material, kot je opečna stena, se del energije odraža. Drugi del se zaradi toplotne vibracije zraka in materiala razprši v toploti; in na koncu preostala frakcija preide skozi material.

Tako se zvočni valovi lahko odražajo tako, kot to počne svetloba. Odboj zvoka je znan kot "odmev". Bolj kot je toga in enakomerna površina, večja je sposobnost refleksije.

Pravzaprav obstajajo površine, ki lahko ustvarijo več odbojev, ki jih imenujemo odmevi. Ponavadi se to dogaja v majhnih prostorih in se mu izognemo s polaganjem izolacijskega materiala, tako da se na ta način izpuščeni in odbiti valovi ne prekrivajo, kar otežuje sluh.

Med vsem širjenjem bo akustični val doživljal vse te zaporedne izgube, dokler se končno energija v celoti ne absorbira v medij. Kar pomeni, da se je preoblikoval v toplotno energijo.

Obstaja velikost, s katero lahko količinsko določimo sposobnost materiala, da absorbira zvok. Imenuje se absorpcijski koeficient. Označena je z α in je razmerje med absorbirano energijo E _abs in vpadno energijo E _inc , vso pa se nanaša na zadevni material. Matematično je izražen takole:

α = E _abs / E _inc

Najvišja vrednost α je 1 (popolnoma absorbira zvok), najmanjša pa 0 (prepušča ves zvok).

Zvok je lahko velikokrat prikrajšana, če je zaželena tišina. Na primer, avtomobili so opremljeni z dušilci zvoka za dušenje hrupa motorjev. Za druge naprave, kot so vodne črpalke in elektrarne.

Zvočna izolacija je pomembna v snemalnem studiu. Vir: Pixabay.

Primeri zvočne energije

Zvočna energija je povsod. Tukaj je preprost primer, ki ponazarja lastnosti zvoka in njegovo energijo s količinskega vidika.

Vaja rešena

Zatič mase 0,1 g pade z višine 1m. Če predpostavimo, da se 0,05% njegove energije pretvori v zvočni impulz s trajanjem 0,1 s, ocenite največjo razdaljo, na kateri se sliši padec zatiča. Najmanjša zvočna intenzivnost je 10 ^-8 W / m ² .

Rešitev

Zgornja enačba bo uporabljena za intenzivnost zvoka:

Dobro vprašanje je, od kod prihaja zvočna energija v tem primeru, tista, katere intenzivnost človeško uho zazna.

Odgovor je v gravitacijski potencialni energiji. Prav zato, ker zatič pade z določene višine, na kateri je imel potencialno energijo, ko pade, to energijo pretvori v kinetično energijo.

Ko enkrat udari ob tla, se energija prenese na molekule zraka, ki obdajajo mesto trčenja, in sproži zvok.

Gravitacijska potencialna energija U je:

Kjer je m masa zatiča, g je pospešek gravitacije, h pa višina, s katere je padel. Če zamenjamo te številčne vrednosti, vendar ne pred izvedbo ustreznih pretvorb v mednarodnem sistemu enot, imamo:

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

V izjavi piše, da se od te energije le 0,05% preoblikuje, da se pri zvoku poda. Zato je zvočna energija:

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

Iz enačbe intenzitete se očisti polmer R, vrednosti zvočne energije E _zvoka in čas trajanja impulza pa se nadomestita : 0,1 s glede na navedbo.

Zato je največja razdalja, na kateri bo slišen padec, v vseh smereh 6,24 m.

Reference

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. Šesta izdaja. Dvorana Prentice. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Osnove akustike. 4. izd. Wiley & Sons. 124-125.