ЗВУКОВА ЕНЕРГІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДИ, ВИКОРИСТАННЯ, ПЕРЕВАГИ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Звукова енергія або акустична , які несуть звукові хвилі при їх поширенні в середовищі, яка може являти собою газ , такі як повітря, рідина або тверда речовина. Люди та багато тварин використовують акустичну енергію для взаємодії з навколишнім середовищем.

Для цього вони мають спеціалізовані органи, наприклад голосові зв'язки, здатні виробляти вібрації. Ці вібрації транспортуються у повітрі, щоб дістатися до інших спеціалізованих органів, відповідальних за їх інтерпретацію.

Акустична енергія переводиться в музику через звук кларнета. Джерело: Піксабай

Коливання викликають послідовні стискання та розширення у повітрі або середовищі, що оточує джерело, які поширюються з певною швидкістю. Не частинки пересуваються, але вони просто коливаються відносно свого положення рівноваги. Порушення - це те, що передається.

Зараз, як відомо, об’єкти, які рухаються, мають енергію. Таким чином, хвилі, коли вони рухаються в середовищі, також несуть із собою енергію, пов'язану з рухом частинок (кінетичну енергію), а також енергію, якою володіє зазначена середовище, яка відома як потенційна енергія.

характеристики

Як відомо, об’єкти, які рухаються, мають енергію. Так само хвилі, коли вони рухаються в середовищі, несуть із собою енергію, пов’язану з рухом частинок (кінетичну енергію), а також енергію деформації середовища або потенційну енергію.

Припускаючи, що дуже мала частина середовища, яка може бути повітрям, кожна частинка зі швидкістю u має кінетичну енергію K, задану:

Крім того, частинка має потенційну енергію U, яка залежить від зміни обсягу, яку вона відчуває, де Vo - початковий об'єм, V - кінцевий об'єм і р - тиск, який залежить від положення і часу:

Негативний знак вказує на збільшення потенційної енергії, оскільки поширююча хвиля працює на елементі об єму dV при її стисненні завдяки позитивному акустичному тиску.

Маса елемента текучого середовища в перерахунку на початкову щільність ρ _o та початковий об'єм V _o становить:

І як зберігається маса (принцип збереження маси):

Тому загальна енергія така:

Розрахунок потенційної енергії

Інтеграл можна вирішити за принципом збереження маси

Похідна константи дорівнює 0, тому (ρ V) '= 0. Отже:

Ісаак Ньютон визначив, що:

(dp / dρ) = c ²

Де c являє собою швидкість звуку в рідині, про яку йдеться. Підставляючи вищезазначене в інтеграл, отримують потенційну енергію середовища:

Якщо A _p і A _v - амплітуди хвилі тиску і швидкості відповідно, середня енергія ε звукової хвилі дорівнює:

Звук можна охарактеризувати за кількістю, що називається інтенсивністю.

Інтенсивність звуку визначається як енергія, яка проходить за одну секунду через одиничну площу, перпендикулярну напрямку напрямку поширення звуку.

Оскільки енергія на одиницю часу є потужністю P, інтенсивність звуку I можна виразити так:

Кожен тип звукової хвилі має характерну частоту і несе певну енергію. Все це визначає його акустичну поведінку. Оскільки звук настільки важливий для життя людини, типи звуків класифікуються на три великі групи відповідно до діапазону частот, чутних для людини:

- інфразвук, частота якого менше 20 Гц.

- Звуковий спектр з частотами від 20 Гц до 20000 Гц.

- УЗД з частотами більше 20 000 Гц.

Висота звуку, тобто високий, низький або середній, залежить від частоти. Нижні частоти інтерпретуються як басові звуки, приблизно від 20 до 400 Гц.

Частоти між 400 і 1600 Гц вважаються середніми тонами, тоді як високі - від 1600 до 20000 Гц. Високі звуки є легкими і пронизливими, тоді як бас сприймається як більш глибокий і гучний.

Звуки, які ви чуєте щодня, - це складні накладення звуків з різною частотою в безпосередній близькості.

Звук має інші якості, ніж частота, які можуть слугувати критеріями його класифікації. Прикладами їх є тембр, тривалість та інтенсивність.

Еквалайзер складається з фільтрів, які видаляють шум і підвищують певні частоти для поліпшення якості звуку. Джерело: Pixabay.

Шум

Важливо також розрізняти бажані звуки та небажані звуки чи шум. Оскільки шуми завжди намагаються усунути, його класифікують за інтенсивністю та періодом у:

- безперервний шум.

- Коливальний шум.

- Імпульсивний шум.

Або за кольорами, пов’язаними з їх частотою:

- рожевий шум (схожий на "шххххх").

- білий шум (подібний до "psssssss").

- коричневий шум (відкривач роунівського руху Роберт Браун - це шум, що значною мірою сприяє низьким частотам).

Програми

Використання акустичної енергії залежить від типу звукової хвилі, що використовується. У діапазоні звукових хвиль універсальне використання звуку полягає в тому, щоб забезпечити тісний зв’язок не тільки між людьми, оскільки тварини також спілкуються, випускаючи звуки.

Звуки різнобічні. Кожна відрізняється залежно від джерела, яке її випромінює. Таким чином різноманітність звуків у природі нескінченна: кожен людський голос різний, як і характерні звуки, які тваринні види використовують для спілкування один з одним.

Багато тварин використовують енергію звуку, щоб знайти себе в просторі, а також для того, щоб захопити свою здобич. Вони випромінюють акустичні сигнали і мають рецепторні органи, які аналізують відбиті сигнали. Таким чином вони отримують інформацію про відстані.

Людям не вистачає органів, необхідних для використання звукової енергії таким чином. Однак вони створили прилади орієнтації, такі як сонар, на основі цих же принципів, щоб полегшити навігацію.

З іншого боку, ультразвуки - це звукові хвилі, застосування яких добре відомі. У медицині вони використовуються для отримання зображень внутрішнього простору людського тіла. Вони також є частиною лікування деяких станів, таких як люмбаго та тендиніт.

Деякі додатки акустичної енергії

- При високоенергетичному ультразвуковому дослідженні камені або кальку, які утворюються в нирках і жовчному міхурі через осідання мінеральних солей в цих органах, можуть бути знищені.

- У геофізиці ультразвукове дослідження використовується як пошукові методи. Його принципи схожі з принципами сейсмічних методів. Вони можуть бути використані в додатках, починаючи від визначення форми океанічного рельєфу до ядер для обчислення модулів пружності.

- У харчовій технології їх використовують для усунення мікроорганізмів, стійких до високих температур, а також для поліпшення деяких текстур та якостей їжі.

Перевага

Акустична енергія має переваги, які багато в чому обумовлені її коротким діапазоном. Наприклад, виробляти недорого і не утворює хімічних та інших відходів, оскільки він швидко розсіюється в середовищі.

Щодо джерел акустичної енергії, то їх багато. Будь-який предмет, здатний вібрувати, може стати джерелом звуку.

При використанні в медичних програмах, таких як ультразвукова візуалізація, вона має перевагу не використовувати іонізуюче випромінювання, наприклад рентгенівське випромінювання або томографію. Це факт, що іонізуюче випромінювання може спричинити пошкодження клітин.

Її використання не потребує заходів захисту, необхідних при застосуванні іонізуючого випромінювання. Набори також дешевші.

Так само, ультразвукова енергія є неінвазивним методом усунення вищезгаданих нирок та жовчних каменів, таким чином уникаючи хірургічних процедур.

В принципі він не створює забруднення ні в повітрі, ні у водах. Але відомо, що в морях є шумове забруднення, спричинене такою діяльністю людини, як інтенсивна риболовля, геофізичні розвідки та транспортування.

Недоліки

Важко подумати про недоліки, які може мати таке природне, як звук.

Одне з небагатьох полягає в тому, що гучні звуки можуть пошкодити структуру барабанної перетинки, а з часом люди, які постійно піддаються впливу, втрачають відчуття.

Дуже галасливе середовище в кінцевому підсумку викликає стрес і дискомфорт у людей. Ще одним недоліком є, мабуть, той факт, що акустична енергія не використовується для переміщення предметів, що дуже важко скористатися вібраціями для впливу на тверді об’єкти.

Це тому, що звук завжди вимагає існування середовища, щоб його можна було поширювати, і тому він легко послаблюється. Іншими словами, звукова енергія поглинається в середовищі швидше, ніж енергія інших типів, наприклад електромагнітних.

З цієї причини в повітрі енергія звукових хвиль є відносно короткою. Звук поглинається структурами і предметами в міру поширювання, а його енергія поступово розсіюється в тепло.

Звичайно, це пов’язано із збереженням енергії: енергія не руйнується, а змінює форму. Коливання молекул у повітрі не лише перетворюються на зміни тиску, які породжують звук. Коливання також викликають тепло.

Поглинання звуку в матеріалах

Наприклад, коли звукові хвилі потрапляють на матеріал, як цегляна стіна, наприклад, частина енергії відбивається. Інша частина розсіюється в теплі завдяки молекулярній вібрації як повітря, так і матеріалу; і нарешті фракція, що залишилася, проходить через матеріал.

Таким чином, звукові хвилі можуть відображатися так само, як і світло. Відбиття звуку відоме як "відлуння". Чим більш жорстка і рівномірна поверхня, тим більша здатність до відображення.

Насправді, існують поверхні, які здатні виробляти численні відбиття, що називаються ревербераціями. Зазвичай цього відбувається в невеликих просторах і уникнути, якщо розмістити ізоляційний матеріал, щоб таким чином випромінювані та відбиті хвилі не перетиналися, що ускладнює слух.

Протягом усього свого поширення акустична хвиля зазнає всіх цих послідовних втрат, поки нарешті енергія повністю не поглинеться в середовищі. Що означає, що вона перетворилася на теплову енергію.

Існує величина кількісної оцінки здатності матеріалу поглинати звук. Це називається коефіцієнтом поглинання. Він позначається як α, і це співвідношення між поглиненою енергією E _abs та падаючою енергією E _inc , усі згадані про матеріал, про який йде мова. Це виражається математично так:

α = E _abs / E _inc

Максимальне значення α дорівнює 1 (повністю поглинає звук), а мінімальне - 0 (пропускає весь звук наскрізь).

Звук може бути недоліком у багатьох випадках, коли краща тиша. Наприклад, автомобілі оснащені глушниками, щоб зменшити шум у двигунах. Для інших пристроїв, таких як водяні насоси та електростанції.

Звукоізоляція важлива в студії звукозапису. Джерело: Pixabay.

Приклади звукової енергії

Звукова енергія є скрізь. Ось простий приклад, який ілюструє властивості звуку та його енергію з кількісної точки зору.

Вправа вирішена

Штифт масою 0,1 г падає з висоти 1м. Припускаючи, що 0,05% його енергії перетворюється на звуковий імпульс тривалістю 0,1 с, оцініть максимальну відстань, на якій можна почути падіння штифта. В якості мінімальної чутливості звуку візьміть 10 ^-8 Вт / м ² .

Рішення

Наведене вище рівняння буде використано для інтенсивності звуку:

Добре питання - звідки в цьому випадку береться звукова енергія, чию інтенсивність визначає вухо людини.

Відповідь полягає в гравітаційній потенціальній енергії. Саме тому, що штифт падає з певної висоти, на якій він мав потенційну енергію, при падінні він перетворює цю енергію в кінетичну енергію.

І як тільки він потрапляє на землю, енергія передається молекулам повітря, які оточують місце аварії, створюючи звук.

Гравітаційна потенціальна енергія U становить:

Де m - маса штифта, g - прискорення сили тяжіння, а h - висота, з якої він впав. Підставляючи ці числові значення, але не перед тим, як здійснювати відповідні перетворення в Міжнародній системі одиниць, ми маємо:

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

У заяві зазначається, що з цієї енергії лише 0,05% перетворюється, щоб викликати звуковий імпульс, тобто зворушення штифта, коли він потрапляє на підлогу. Тому звукова енергія:

Е _звук = 4,9 х 10 ^-7 Дж

З рівняння інтенсивності очищається радіус R, а значення звукової енергії E _звуку та час, який тривав імпульс , замінюються : 0,1 с відповідно до твердження.

Тому максимальна відстань, на якій буде чути падіння штифта, становить 6,24 м у всіх напрямках.

Список літератури

1. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. Шосте видання. Prentice Hall. 332-359.
2. Кінслер, Л. (2000). Основи акустики. 4-е видання Wiley & Sons. 124-125.