ZVUČNA ENERGIJA: KARAKTERISTIKE, VRSTE, UPOTREBE, PREDNOSTI, PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Energija zvuka ili akustični koja nosi zvučne valove kao oni propagiraju u mediju koji može biti plin, kao što su zrak, tekućine ili krute tvari. Ljudi i mnoge životinje koriste akustičnu energiju za interakciju s okolinom.

Za to imaju specijalizirane organe, na primjer glasnice, sposobne stvarati vibracije. Te se vibracije prenose u zraku da bi došle do drugih specijaliziranih organa zaduženih za njihovu interpretaciju.

Akustička energija prevodi se u glazbu kroz zvuk klarineta. Izvor: Pixabay

Vibracije uzrokuju uzastopne kompresije i širenja u zraku ili mediju koji okružuje izvor, koji se šire određenom brzinom. Nisu čestice koje putuju, već jednostavno osciliraju u odnosu na svoj ravnotežni položaj. Uznemirenost je ono što se prenosi.

Sada, kao što je poznato, predmeti koji se kreću imaju energiju. Stoga valovi dok putuju u mediju također nose sa sobom energiju povezanu s kretanjem čestica (kinetičku energiju), kao i energiju koju taj medij intrinzično posjeduje, poznatu i kao potencijalnu energiju.

karakteristike

Kao što je poznato, predmeti koji se kreću imaju energiju. Isto tako, valovi dok putuju u mediju nose sa sobom energiju povezanu s kretanjem čestica (kinetičku energiju) i energiju deformacije medija ili potencijalnu energiju.

Pretpostavljajući vrlo mali dio medija, koji može biti zrak, svaka čestica sa brzinom u, ima kinetičku energiju K koju daje:

Uz to, čestica ima potencijalnu energiju U koja ovisi o promjeni volumena koju doživljava, gdje je Vo početni volumen, V je konačni volumen i p je tlak, koji ovisi o položaju i vremenu:

Negativni znak ukazuje na povećanje potencijalne energije, budući da šireći val djeluje na volumenski element dV kada ga komprimira, zahvaljujući pozitivnom zvučnom tlaku.

Masa elementa fluida u odnosu na početnu gustoću ρ _o i početni volumen V _o je:

I kako se masa čuva (načelo očuvanja mase):

Stoga je ukupna energija takva:

Izračunavanje potencijalne energije

Integral se može riješiti pomoću principa očuvanja mase

Derivat konstante je 0, pa je (ρ V) '= 0. Stoga:

Isaac Newton je utvrdio da:

(dp / dρ) = c ²

Ako c predstavlja brzinu zvuka u predmetnoj tekućini. Zamjenom gore navedenog u integralu dobiva se potencijalna energija medija:

Ako su A _p i A _v amplitude tlačnog vala i brzine, prosječna energija ε zvučnog vala je:

Zvuk se može karakterizirati količinom koja se naziva intenzitetom.

Intenzitet zvuka definira se kao energija koja u jednoj sekundi prolazi kroz jedinicu koja je okomita na smjer širenja zvuka.

Budući da je energija po jedinici vremena snaga P, intenzitet zvuka I može se izraziti kao:

Svaka vrsta zvučnog vala ima karakterističnu frekvenciju i nosi određenu energiju. Sve to određuje njegovo zvučno ponašanje. Kako je zvuk tako važan za ljudski život, vrste zvukova su svrstane u tri velike skupine, prema rasponu frekvencija koje se mogu čuti kod ljudi:

- Infrazvuk, čija je frekvencija manja od 20 Hz.

- Zvučni spektar, s frekvencijama u rasponu od 20 Hz do 20 000 Hz.

- Ultrazvuk, s frekvencijama većim od 20 000 Hz.

Visina tona zvuka, odnosno je li visok, nizak ili srednji, ovisi o frekvenciji. Niže frekvencije tumače se kao bas zvukovi, otprilike između 20 i 400 Hz.

Frekvencije između 400 i 1600 Hz smatraju se srednjim tonovima, dok se visoki kreću od 1600 do 20 000 Hz. Visoki zvukovi su lagani i prodorni, dok se bas doživljava kao dublji i gromoglasniji.

Zvukovi koje čujete svaki dan složeni su slojevi zvukova različitih frekvencija u neposrednoj blizini.

Zvuk ima osim svojstva frekvencije, koje mogu poslužiti kao kriterij za njegovu klasifikaciju. Primjeri su tembre, trajanje i intenzitet.

Evilajzer se sastoji od filtera koji uklanjaju buku i pojačavaju određene frekvencije kako bi poboljšali kvalitetu zvuka. Izvor: Pixabay.

Buka

Također je važno razlikovati željene zvukove od neželjenih zvukova ili buke. Budući da se buka uvijek nastoji ukloniti, ona se klasificira prema intenzitetu i razdoblju u:

- Kontinuirana buka.

- Nizak šum.

- Impulzivni šum.

Ili s bojama, povezano s njihovom učestalošću:

- Ružičasta buka (slično kao "shhhhhh").

- bijeli šum (slično kao "psssssss").

- Smeđi buka (Robert Brown, otkrivač Brownijevog pokreta, je buka koja u velikoj mjeri pogoduje niskim frekvencijama).

Prijave

Potrošnja koja se daje akustičnoj energiji ovisi o vrsti zvučnog vala koji se koristi. U rasponu zvučnih valova, univerzalna uporaba zvuka omogućuje omogućavanje bliske komunikacije, ne samo između ljudi, jer životinje također komuniciraju emitiranjem zvukova.

Zvukovi su svestrani. Svaki se razlikuje prema izvoru koji ga emitira. Na ovaj je način raznolikost zvukova u prirodi beskonačna: svaki je ljudski glas različit, kao i karakteristični zvukovi koje životinjske vrste koriste kako bi komunicirale jedna s drugom.

Mnoge životinje koriste zvučnu energiju da bi se smjestile u svemir i također uhvatile svoj plijen. Oni emitiraju akustične signale i imaju organe receptora koji analiziraju reflektirane signale. Na taj način dobivaju informacije o udaljenostima.

Ljudskim bićima nedostaju organi potrebni za korištenje zvučne energije na ovaj način. Međutim, stvorili su uređaje za orijentaciju poput sonara, temeljeni na istim principima, kako bi se olakšala navigacija.

S druge strane, ultrazvuci su zvučni valovi čija je primjena dobro poznata. U medicini se koriste za dobivanje slika unutrašnjosti ljudskog tijela. Također su dio liječenja nekih stanja poput lumbaga i tendonitisa.

Neke primjene akustičke energije

- Visokoenergetskim ultrazvukom kamenje ili kalkuli koji nastaju u bubrezima i žučnom mjehuru mogu se uništiti zbog taloženja mineralnih soli u tim organima.

- U geofizici se ultrazvuk koristi kao metoda istraživanja. Njegovi su principi slični onima seizmičkih metoda. Mogu se koristiti u aplikacijama u rasponu od određivanja oblika oceana do reljefa do izračuna elastičnih modula.

- U prehrambenoj tehnologiji koriste se za uklanjanje mikroorganizama otpornih na visoke temperature, kao i za poboljšanje nekih tekstura i kvaliteta hrane.

Prednost

Akustična energija ima prednosti koje su velikim dijelom posljedice kratkog dosega. Na primjer, proizvesti je jeftino i ne stvara kemijski ili drugi otpad jer se brzo rasprši u mediju.

Što se tiče izvora akustične energije, oni su mnogobrojni. Bilo koji objekt sposoban vibrirati može postati izvor zvuka.

Kada se koristi u medicinskim primjenama, kao što su ultrazvučne snimke, ima prednost u tome što ne koristi ionizirajuće zračenje, poput rentgenskih zraka ili tomografije. Činjenica je da ionizirajuće zračenje može dovesti do oštećenja stanica.

Njegova uporaba ne zahtijeva mjere zaštite koje su potrebne kada se primjenjuje ionizirajuće zračenje. Kompleti su također jeftiniji.

Isto tako, ultrazvučna energija je neinvazivna metoda za uklanjanje gore spomenutih bubrežnih i žučnih kamenaca, čime se izbjegavaju kirurški zahvati.

U principu ne stvara zagađenje ni u zraku ni u vodama. Ali poznato je da u morima postoji zagađenje bukom, uzrokovano ljudskim aktivnostima poput intenzivnog ribolova, geofizičkih istraživanja i prijevoza.

Nedostaci

Teško je razmišljati o nedostacima koje fenomen može biti toliko prirodan kao što je zvuk.

Jedna od rijetkih je da glasni zvukovi mogu oštetiti strukturu bubne sluznice, a s vremenom ljudi koji neprestano izlažu izgube osjećaj.

Kraj vrlo bučnih okruženja uzrokuje stres i nelagodu kod ljudi. Drugi nedostatak je možda činjenica da se akustička energija ne koristi za pomicanje predmeta, što otežava iskorištavanje vibracija za utjecaj na čvrste predmete.

To je zato što zvuk uvijek zahtijeva postojanje medija kako bi se mogao širiti, te ga je stoga lako prigušiti. Drugim riječima, zvučna energija se apsorbira u mediju brže od energije drugih tipova valova, primjerice elektromagnetskih.

Iz tog razloga je energija zvučnih valova u zraku relativno kratkog dosega. Zvuk apsorbiraju strukture i predmeti dok se širi, a njegova energija postupno se rasipa u toplinu.

To se, naravno, odnosi na očuvanje energije: energija se ne uništava, ali mijenja oblik. Vibracije molekula u zraku ne transformiraju se samo u promjene tlaka koje stvaraju zvuk. Vibracije također stvaraju toplinu.

Apsorpcija zvuka u materijalima

Na primjer, kada zvučni valovi udaraju o materijalu poput zida od opeke, dio energije reflektira se. Drugi dio se raspršuje u toplini, zahvaljujući molekularnim vibracijama zraka i materijala; i na kraju preostala frakcija prolazi kroz materijal.

Tako se zvučni valovi mogu reflektirati na isti način kao što to čini svjetlost. Odraz zvuka poznat je pod nazivom "odjek". Čvršća i ujednačenija površina, veća je sposobnost refleksije.

U stvari, postoje površine koje mogu proizvesti višestruka refleksija koja se nazivaju odbojci. Obično se to događa u malim prostorima i izbjegava se postavljanjem izolacijskog materijala, tako da se na taj način emitirani i reflektirani valovi ne preklapaju, što otežava sluh.

Tijekom svoga širenja, akustični val doživljavat će sve ove uzastopne gubitke dok se napokon energija potpuno ne apsorbira u medij. Što znači da je pretvorena u toplinsku energiju.

Postoji veličina za kvantificiranje sposobnosti materijala da apsorbira zvuk. Zove se koeficijent apsorpcije. Označen je kao α, a to je omjer između apsorbirane energije E _abs i upadne energije E _inc, a sve se odnosi na predmetni materijal. Matematički se izražava ovako:

α = E _aps / E _inc

Maksimalna vrijednost α je 1 (potpuno apsorbira zvuk), a minimalna je 0 (pušta čitav zvuk).

Zvuk može biti nedostatak u mnogim prilikama kada se preferira tišina. Na primjer, automobili su opremljeni prigušivačima za prigušivanje buke motora. I na druge uređaje poput pumpi za vodu i elektrane.

Zvučna izolacija je važna u studiju za snimanje. Izvor: Pixabay.

Primjeri zvučne energije

Zvučna energija je svuda. Evo jednostavnog primjera koji s kvantitativnog gledišta ilustrira svojstva zvuka i njegovu energiju.

Vježba riješena

Stup mase 0,1 g pada s visine od 1 m. Pretpostavljajući da se 0,05% njegove energije pretvara u zvučni puls u trajanju od 0,1 s, procijenite maksimalnu udaljenost na kojoj se može čuti pad pinova. Minimalni zvučni intenzitet zvuka uzmite 10 ^-8 W / m ².

Riješenje

Gore navedena jednadžba koristit će se za intenzitet zvuka:

Dobro je pitanje odakle dolazi u ovom slučaju zvučna energija, čiji intenzitet detektira uho.

Odgovor je u gravitacijskoj potencijalnoj energiji. Upravo zato što osovina pada s određene visine, na kojoj je imala potencijalnu energiju, dok pada, on pretvara tu energiju u kinetičku energiju.

Kad jednom padne na tlo, energija se prenosi molekulama zraka koje okružuju mjesto sudara, stvarajući zvuk.

Gravitaciona potencijalna energija U je:

Gdje je m masa igle, g je ubrzanje gravitacije, a h je visina s koje je pala. Zamjenom ovih brojčanih vrijednosti, ali ne prije nego što izvršimo odgovarajuće pretvorbe u Međunarodnom sustavu jedinica, imamo:

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

Izjava kaže da se od ove energije samo 0,05% transformira da bi se stvorio zvučni impuls, tj. Treskanje igle kad udari o tlo. Stoga je zvučna energija:

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

Iz jednadžbe intenziteta očisti se polumjer R, a vrijednosti zvučne energije E _zvuka i vrijeme trajanja pulsa zamjenjuju se: 0,1 s prema izjavi.

Stoga je najveća udaljenost na kojoj će se čuti pad pinova u svim smjerovima 6,24 m.

Reference

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