SKAŅAS ENERĢIJA: RAKSTURLIELUMI, VEIDI, IZMANTOŠANAS VEIDI, PRIEKŠROCĪBAS, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Skaņas enerģija vai akustisks kas pārvadā skaņas viļņus kā tie izplatīties barotnē, kas var būt gāze, piemēram, gaisu, šķidra vai cieta. Cilvēki un daudzi dzīvnieki izmanto akustisko enerģiju, lai mijiedarbotos ar vidi.

Šim nolūkam viņiem ir specializēti orgāni, piemēram, balss auklas, kas spēj radīt vibrāciju. Šīs vibrācijas tiek pārvadātas gaisā, lai sasniegtu citus specializētus orgānus, kas atbild par to interpretāciju.

Ar klarnetes skaņu akustiskā enerģija tiek tulkota mūzikā. Avots: Pixabay

Vibrācijas izraisa secīgu saspiešanu un izplešanos gaisā vai vidē, kas ieskauj avotu, un tas izplatās ar noteiktu ātrumu. Ceļo nevis daļiņas, bet tikai svārstās attiecībā pret to līdzsvara stāvokli. Traucējumi ir tie, kas tiek pārraidīti.

Tagad, kā zināms, kustīgajiem objektiem ir enerģija. Tādējādi viļņi, pārvietojoties vidē, nes sev līdzi arī enerģiju, kas saistīta ar daļiņu kustību (kinētiskā enerģija), kā arī enerģiju, kas šai videi piemīt, tā saukto potenciālo enerģiju.

raksturojums

Kā zināms, objektiem, kas pārvietojas, ir enerģija. Tāpat viļņi, pārvietojoties vidē, nes sev līdzi enerģiju, kas saistīta ar daļiņu kustību (kinētiskā enerģija), kā arī barotnes vai potenciālās enerģijas deformācijas enerģiju.

Pieņemot, ka ļoti mazai barotnes daļai, kas var būt gaiss, katrai daļiņai ar ātrumu u ir kinētiskā enerģija K, ko piešķir:

Turklāt daļiņai ir potenciālā enerģija U, kas ir atkarīga no izmaiņām tajā pieredzētajā tilpumā, kur Vo ir sākotnējais tilpums, V ir galīgais tilpums un p ir spiediens, kas atkarīgs no pozīcijas un laika:

Negatīvā zīme norāda uz potenciālās enerģijas palielināšanos, jo, pateicoties pozitīvam akustiskajam spiedienam, izplatīšanās vilnis, saspiežot to, darbojas uz tilpuma elementu dV.

Šķidruma elementa masa sākotnējā blīvumā ρ _o un sākotnējā tilpumā V _o ir:

Un kā tiek saglabāta masa (masas saglabāšanas princips):

Tāpēc kopējā enerģija ir šāda:

Potenciālās enerģijas aprēķināšana

Integrālo var atrisināt, izmantojot masas saglabāšanas principu

Konstantes atvasinājums ir 0, tātad (ρ V) '= 0. Tāpēc:

Īzaks Ņūtons noteica, ka:

(dp / dρ) = c ²

Kur c apzīmē skaņas ātrumu attiecīgajā šķidrumā. Aizstājot iepriekš minēto integrālā stāvoklī, tiek iegūta barotnes potenciālā enerģija:

Ja A _p un A _v ir attiecīgi spiediena viļņa un ātruma amplitūdas, skaņas viļņa vidējā enerģija ε ir:

Skaņu var raksturot ar daudzumu, ko sauc par intensitāti.

Skaņas intensitāti definē kā enerģiju, kas vienā sekundē iziet cauri vienības laukumam, kas ir perpendikulārs skaņas izplatīšanās virzienam.

Tā kā enerģijas vienība laikā ir jauda P, skaņas intensitāti I var izteikt šādi:

Katram skaņas viļņu veidam ir raksturīga frekvence un tas nes noteiktu enerģiju. Tas viss nosaka tā akustisko izturēšanos. Tā kā skaņa ir tik svarīga cilvēka dzīvībai, skaņu veidi tiek iedalīti trīs lielās grupās atbilstoši cilvēkiem dzirdamo frekvenču diapazonam:

- infraskaņas, kuras frekvence ir mazāka par 20 Hz.

- dzirdams spektrs ar frekvencēm no 20 Hz līdz 20 000 Hz.

- Ultraskaņa ar frekvencēm, kas lielākas par 20 000 Hz.

Skaņas augstums, tas ir, vai tas ir augsts, zems vai vidējs, ir atkarīgs no frekvences. Zemākās frekvences tiek interpretētas kā basu skaņas, aptuveni no 20 līdz 400 Hz.

Frekvences no 400 līdz 1600 Hz tiek uzskatītas par vidējiem signāliem, bet augstās - no 1600 līdz 20 000 Hz. Augstas skaņas ir vieglas un caururbjošas, savukārt bass tiek uztverts kā dziļāks un plaukstošs.

Katru dienu dzirdamās skaņas ir sarežģīti skaņu pārklājumi ar dažādām frekvencēm tiešā tuvumā.

Skaņai ir citas īpašības nekā frekvence, kas var kalpot par kritēriju tās klasifikācijai. To piemēri ir tembrs, ilgums un intensitāte.

Ekvalaizers sastāv no filtriem, kas noņem troksni un palielina noteiktas frekvences, lai uzlabotu skaņas kvalitāti. Avots: Pixabay.

Troksnis

Ir svarīgi arī nošķirt vēlamās skaņas no nevēlamām skaņām vai trokšņiem. Tā kā troksni vienmēr cenšas novērst, to klasificē pēc intensitātes un laika posma:

- Nepārtraukts troksnis.

- svārstīgs troksnis.

- impulsīvs troksnis.

Vai pēc krāsām, kas saistītas ar to biežumu:

- rozā troksnis (līdzīgs “shhhhhh”).

- balts troksnis (līdzīgs “psssssss”).

- Brūns troksnis (Roberta Brauna, Brauna kustības atklājējs, ir troksnis, kas ļoti veicina zemas frekvences).

Lietojumprogrammas

Akustiskās enerģijas pielietojums ir atkarīgs no izmantotā skaņas viļņa veida. Skaņas viļņu diapazonā skaņa universāli tiek izmantota, lai nodrošinātu ciešu saziņu ne tikai starp cilvēkiem, jo ​​arī dzīvnieki sazinās, izstarojot skaņas.

Skaņas ir daudzpusīgas. Katrs atšķiras atkarībā no avota, kas to izstaro. Tādā veidā skaņu dažādība dabā ir bezgalīga: katra cilvēka balss ir atšķirīga, kā arī raksturīgās skaņas, kuras dzīvnieku sugas izmanto, lai sazinātos savā starpā.

Daudzi dzīvnieki izmanto skaņas enerģiju, lai atrastu sevi kosmosā un arī laupījumu. Viņi izstaro akustiskos signālus, un tiem ir receptoru orgāni, kas analizē atstarotos signālus. Tādā veidā viņi iegūst informāciju par attālumiem.

Cilvēkiem trūkst orgānu, kas nepieciešami, lai šādā veidā izmantotu skaņas enerģiju. Tomēr, lai atvieglotu navigāciju, viņi, pamatojoties uz šiem pašiem principiem, ir izveidojuši tādas orientācijas ierīces kā sonārs.

No otras puses, ultraskaņa ir skaņas viļņi, kuru lietojumi ir labi zināmi. Medicīnā tos izmanto, lai iegūtu cilvēka ķermeņa interjera attēlus. Tie ir arī daļa no dažu slimību, piemēram, lumbago un tendinīta, ārstēšanas.

Daži akustiskās enerģijas pielietojumi

- Izmantojot augstas enerģijas ultraskaņu, var iznīcināt akmeņus vai akmeņus, kas veidojas nierēs un žultspūslī minerālsāļu nogulsnēšanās dēļ šajos orgānos.

- Ģeofizikā ultraskaņu izmanto kā izpētes metodes. Tās principi ir līdzīgi seismisko metožu principiem. Tos var izmantot, sākot no okeāna formas noteikšanas līdz reljefam un beidzot ar elastīgo moduļu aprēķināšanu.

- Pārtikas tehnoloģijā tos izmanto mikroorganismu, kas izturīgi pret augstām temperatūrām, likvidēšanai, kā arī dažu ēdienu tekstūru un īpašību uzlabošanai.

Priekšrocība

Akustiskajai enerģijai ir priekšrocības, kuras lielā mērā nosaka tās mazais diapazons. Piemēram, ir lēti ražot un nerada ķīmiskus vai citus atkritumus, jo tas vidē ātri izkliedējas.

Akustiskās enerģijas avotu ir daudz. Par skaņas avotu var kļūt jebkurš objekts, kas spēj vibrēt.

Ja to izmanto medicīnā, piemēram, ultraskaņas attēlveidošanā, tā priekšrocība nav jonizējošā starojuma izmantošana, piemēram, rentgena vai tomogrāfijas. Tas ir fakts, ka jonizējošais starojums var izraisīt šūnu bojājumus.

Tās izmantošanai nav nepieciešami aizsardzības pasākumi, kas nepieciešami, piemērojot jonizējošo starojumu. Komplekti ir arī lētāki.

Tāpat ultraskaņas enerģija ir neinvazīva metode iepriekšminēto nieru un žultsakmeņu likvidēšanai, tādējādi izvairoties no ķirurģiskām procedūrām.

Principā tas nerada piesārņojumu ne gaisā, ne ūdeņos. Bet ir zināms, ka jūrās ir trokšņa piesārņojums, ko izraisa tādas cilvēku darbības kā intensīva zveja, ģeofiziskā izpēte un pārvadāšana.

Trūkumi

Ir grūti domāt par trūkumiem, kādi var būt tik dabiskai parādībai kā skaņa.

Viens no nedaudzajiem ir tas, ka skaļas skaņas var sabojāt bungādiņa struktūru un laika gaitā liek nepārtraukti pakļautiem cilvēkiem zaudēt sajūtu.

Ļoti trokšņainā vide galu galā cilvēkiem rada stresu un diskomfortu. Vēl viens trūkums ir varbūt tas, ka akustiskā enerģija netiek izmantota objektu pārvietošanai, tāpēc ir ļoti grūti izmantot vibrācijas, lai ietekmētu cietus objektus.

Tas notiek tāpēc, ka skaņai vienmēr ir nepieciešama barotne, lai tā varētu izplatīties, un tāpēc tā ir viegli novājināta. Citiem vārdiem sakot, skaņas enerģija vidē tiek absorbēta ātrāk nekā cita veida viļņiem, piemēram, elektromagnētiskajiem.

Šī iemesla dēļ skaņas viļņu enerģija gaisā ir salīdzinoši maza. Skaņu izplatoties struktūras un objekti absorbē, un tās enerģija pakāpeniski izkliedējas siltumā.

Protams, tas ir saistīts ar enerģijas saglabāšanu: enerģija netiek iznīcināta, bet mainās forma. Gaisā esošo molekulu vibrācijas tiek pārveidotas ne tikai spiediena izmaiņās, kas rada skaņu. Vibrācijas rada arī karstumu.

Skaņas absorbcija materiālos

Kad skaņas viļņi, piemēram, skar tādu materiālu kā ķieģeļu siena, daļa enerģijas tiek atspoguļota. Pateicoties gan gaisa, gan materiāla molekulārajai vibrācijai, cita daļa tiek izkliedēta siltumā; un visbeidzot atlikušā frakcija iziet cauri materiālam.

Tādējādi skaņas viļņus var atspoguļot tāpat kā gaismu. Skaņas atstarojums ir pazīstams kā "atbalss". Jo stingrāka un vienmērīgāka virsma, jo lielāka ir atstarošanas spēja.

Faktiski ir virsmas, kas spēj radīt daudzkārtējas refleksijas, kuras sauc par reverberācijām. Parasti tas notiek nelielās telpās, un no tā var izvairīties, ievietojot izolācijas materiālu, lai šādā veidā izstarotie un atstarotie viļņi nepārklājas, apgrūtinot dzirdi.

Visu izplatīšanās laiku akustiskais vilnis piedzīvos visus šos secīgos zaudējumus, līdz beidzot enerģija vidē tiks pilnībā absorbēta. Kas nozīmē, ka tas ir pārveidots par siltumenerģiju.

Ir pietiekami daudz, lai kvantitatīvi noteiktu materiāla spēju absorbēt skaņu. To sauc par absorbcijas koeficientu. To apzīmē kā α, un tā ir attiecība starp absorbēto enerģiju E _abs un krītošo enerģiju E _inc , kas visi ir minēti attiecīgajam materiālam. Tas tiek izteikts matemātiski šādi:

α = E _abs / E _iesk

Maksimālā α vērtība ir 1 (pilnībā absorbē skaņu) un minimālā ir 0 (ļauj visu skaņu cauri).

Skaņa var būt trūkums daudzos gadījumos, kad priekšroka dodama klusumam. Piemēram, automašīnās ir uzstādīti trokšņa slāpētāji, lai mazinātu motora trokšņus. Arī citām ierīcēm, piemēram, ūdens sūkņiem un spēkstacijām.

Ierakstu studijā ir svarīga skaņas izolācija. Avots: Pixabay.

Skaņas enerģijas piemēri

Skaņas enerģija ir visur. Šeit ir vienkāršs piemērs, kas ilustrē skaņas un tās enerģijas īpašības no kvantitatīvā viedokļa.

Vingrinājums atrisināts

0,1 g masas šķipsna nokrīt no 1 m augstuma. Pieņemot, ka 0,05% no tās enerģijas tiek pārveidota par 0,1 s skaņas impulsu, aprēķiniet maksimālo attālumu, kurā var dzirdēt tapas kritienu. Par minimālo skaņas skaņas intensitāti ņem ^10–8 W / m ² .

Risinājums

Iepriekš norādītais vienādojums tiks izmantots skaņas intensitātei:

Labs jautājums ir, no kurienes šajā gadījumā nāk skaņas enerģija, kuras intensitāti nosaka cilvēka auss.

Atbilde ir potenciālajā gravitācijas enerģijā. Tieši tāpēc, ka tapa nokrīt no noteikta augstuma, kurā tam bija potenciālā enerģija, kad tas nokrīt, tā pārveido šo enerģiju kinētiskajā enerģijā.

Tiklīdz tā nonāk zemē, enerģija tiek nodota gaisa molekulām, kas ieskauj avārijas vietu, radot skaņu.

Gravitācijas potenciālā enerģija U ir:

Kur m ir tapas masa, g ir smaguma paātrinājums, un h ir augstums, no kura tas nokrita. Aizstājot šīs skaitliskās vērtības, bet ne pirms atbilstošo pārrēķinu veikšanas Starptautiskajā vienību sistēmā, mums ir:

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

Paziņojumā teikts, ka no šīs enerģijas tikai 0,05% tiek pārveidoti, lai radītu skaņas impulsu, tas ir, tapu saraustīšanos, kad tas nonāk grīdā. Tāpēc skaņas enerģija ir:

E _skaņa = 4,9 x 10 ^-7 J

No intensitātes vienādojuma, rādiuss R tiek noskaidroti un skaņas enerģijas E vērtības _skaņas un laiks, kad impulsa ilga aizvietotas : 0.1 s saskaņā ar paziņojumu.

Tāpēc maksimālais attālums, kurā būs dzirdams tapas kritiens, ir 6,24 m visos virzienos.

Atsauces

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. Sestais izdevums. Prentice zāle. 332-359.
2. Kinslers, L. (2000). Akustiskās darbības pamati. 4. izdevums Vailijs un dēli. 124.-125.