Äänenergian ominaisuudet, tyypit, käytöt, edut, esimerkit

Se Äänenergia o Akustinen on yksi, joka kuljettaa ääniaaltoja, kun ne leviävät väliaineeseen, joka voi olla kaasu, kuten ilma, neste tai kiinteä. Ihmiset ja monet eläimet käyttävät akustista energiaa liittyäkseen ympäristöön.

Tätä varten heillä on erikoistuneita elimiä, esimerkiksi äänikerroksia, jotka kykenevät tuottamaan värähtelyjä. Nämä värähtelyt kuljetetaan ilmassa saavuttamaan muut tulkinnastaan ​​vastaavat erikoistuneet elimet.

Akustinen energia muuttuu musiikiksi klarinetin äänen kautta. Lähde: Pixabay

Värähtelyt aiheuttavat peräkkäisiä kompressioita ja laajennuksia ilmassa tai lähdettä ympäröivään väliaineeseen, jotka etenevät jollain nopeudella. Hiukkaset eivät ole kulkevia, vaan ne rajoittuvat värähtelyyn niiden tasapainoaseman suhteen. Häiriöt lähetetään.

Nyt, kuten tiedetään, liikkuvilla objekteilla on energiaa. Siten myös aallot, kun ne kulkevat keskellä, kantavat mukanaan energiaa, joka liittyy hiukkasten liikkeeseen (kineettinen energia), ja myös energiaa, joka luontaisesti on mainittu väliaine, joka tunnetaan potentiaalienergiana.

[TOC]

Ominaisuudet

Kuten tiedetään, liikkuvilla objekteilla on energiaa. Joten aallot, kun ne kulkevat keskellä, kantavat mukanaan energiaa, joka liittyy hiukkasten liikkeeseen (kineettinen energia) ja myös potentiaalisen ympäristön tai energian muodonmuutosenergiaa.

Olettaen, että erittäin pieni osa väliaineesta, joka voi olla ilma, kukin hiukkas nopeudella tai, Siinä on kineettinen energia K -k - antama:

K = ½ mu²

Lisäksi hiukkasella on potentiaalista energiaa TAI mikä riippuu sen kokemuksen muutoksesta, oleminen Voima Alkutila, V Lopullinen tilavuus ja p Paine, joka riippuu sijainnista ja ajasta:

Negatiivinen merkki osoittaa potentiaalisen energian lisääntymisen, koska leviäminen aalto toimii tilavuuselementillä DV Pakkaamalla sitä positiivisen akustisen paineen ansiosta.

Nesteelementin massa alkuperäisen tiheyden suhteen ρ_jompikumpi ja alkutila V_jompikumpi On:

m_jompikumpi= ρ_jompikumpiV_jompikumpi

Ja kun taikina säilyy (massan säilyttämisperiaate):

ρv = ρ_jompikumpiV_jompikumpi = vakio

Siksi kokonaisenergia pysyy seuraavasti:

Potentiaalienergian laskeminen

Integraali voidaan ratkaista massan säilyttämisen periaatteen avulla

m_jompikumpi = m_F

Vakiona johdannainen on 0, niin (ρV) = 0. Siksi:

Dv = (-v/ρ) dρ

Isaac Newton päätti, että:

(dp/dρ) = c²

Missä c edustaa äänen nopeutta kyseisessä nesteessä. Korvaamalla yllä oleva väliaineen potentiaalinen energia saadaan:

Lopuksi, tilavuuselementin kokonais akustinen energia ilmaistaan ​​seuraavasti:

Litteälle aaltolle on totta, että: P =  ± (ρc) u, Siksi energia pysyy:

Kuten aina, energiaa mitataan Joulesissa, kansainvälisessä järjestelmässä. On helppo varmistaa, että edellisellä tuloksella on energian mitat (n.M = Joule).

Joo_p jo_v Nämä ovat paineen ja nopeusaallon amplitudit, ääniaallon keskimääräinen energia ε on:

Äänenvoimakkuus

Ääni voidaan karakterisoida nimeltään suuruus intensiteetti.

Äänen voimakkuus määritellään energiaksi, joka tapahtuu sekunnissa pintayksikön läpi, joka on kohtisuorassa äänen etenemissuuntaan nähden.

Koska energiaa aikaa kohti on voimaa P, äänen voimakkuus Yllyttää Se voidaan ilmaista seuraavasti:

Se voi palvella sinua: Durometri: Mihin se on, miten toimii, osat, tyypit

Missä JA on keskimääräinen energia, -Lla on alue ja t On aika. Jos radion r pallomaisen pinnan oletetaan ympäröivän Sonora Fuenten, jonka alue on 4πr², Äänen voimakkuus pysyy:

Kaverit

Jokaisella ääniaaltotyypillä on ominainen taajuus ja se kantaa tiettyä energiaa. Kaikki tämä määrittelee sen akustisen käyttäytymisen. Koska ääni on niin tärkeä ihmisen elämässä, äänien tyypit luokitellaan kolmeen suureen ryhmään, ihmisten kuultavan taajuusalueen mukaan:

- Infrasonido, jonka taajuus on alle 20 Hz.

- Audible -spektri, taajuuksilla klo 20–20.000 Hz.

- Ultraääni, taajuudet yli 20.000 Hz.

Äänen ääni, toisin sanoen, jos se on akuutti, vakava tai keskipitkä, riippuu taajuudesta. Pienimmät taajuudet tulkitaan vakaviksi ääniksi, noin 20–400 Hz.

Taajuuksia välillä 400 - 1600 Hz pidetään keskinäisinä, kun taas akuutti välillä 1600 - 20.000 Hz. Akuutteja ääniä ovat kevyitä ja tunkeutuvia, kun taas basso koetaan niin syvemmälle ja myöhässä.

Päivittäin kuullut äänet ovat monimutkaisia ​​äänien peittokuvia, joilla on erilaiset seuraavat taajuudet.

Äänellä on muita ominaisuuksia, lukuun ottamatta taajuutta, mikä voi toimia niiden luokituksen kriteereinä. Esimerkki heistä ovat kello, kesto ja intensiteetti.

Taajuuskorjain koostuu suodattimista, jotka poistavat melun ja parantavat tiettyjä taajuuksia äänen laadun parantamiseksi. Lähde: Pixabay.

Melu

On myös tärkeää tehdä ero haluttujen ja ei -toivottujen äänien tai melun välillä. Koska se pyrkii aina poistamaan melua, tämä luokitellaan intensiteetin ja ajanjakson mukaan:

- Jatkuva melu.

- Vaihteleva melu.

- Impulsiivinen melu.

Tai väreillä, linkitetty sen taajuuteen:

- Vaaleanpunainen melu (samanlainen kuin A "Shhhhhh”).

- Valkoinen kohina (samanlainen kuin A "PSSSSSS”).

- Ruskea melu (kirjoittanut Robert Brown, Brownian -liikkeen löytäjä, on melu, joka suosii suuresti matalataajuuksia).

Sovellukset

Akustiseen energiaan annettu käyttö riippuu käytetyn ääniaallon tyypistä. Äänen aaltojen alueella äänen yleinen käyttö on sallia läheinen viestintä, ei vain ihmisten välillä, koska eläimet kommunikoivat myös säteilevien äänien lähettämisessä.

Äänet ovat monipuolisia. Kukin eroaa sen lähettävän lähteen mukaan. Tällä tavoin luonnossa olevien äänien monimuotoisuus on ääretön: jokainen ihmisen ääni on erilainen, samoin kuin ominaiset äänet, joita eläinlajit käyttävät kommunikoimaan keskenään.

Monet eläimet käyttävät äänenergiaa avaruudessa ja myös saaliinsa sieppaamiseen. He lähettävät akustisia signaaleja ja heillä on reseptorielimiä, jotka analysoivat heijastuneet signaalit. Tällä tavalla he saavat tietoa etäisyyksistä.

Ihmisistä puuttuu elimet, jotka ovat välttämättömiä äänenergian käyttämiseksi tällä tavalla. He ovat kuitenkin luoneet Sónarin kaltaisia ​​ohjauslaitteita, jotka perustuvat näihin samoihin periaatteisiin navigoinnin helpottamiseksi.

Toisaalta ultraääni ovat vakaa aaltoja, joiden sovellukset ovat hyvin tunnettuja. Lääketieteessä niitä käytetään kuvien hankkimiseen ihmiskehon sisäpuolelta. Ne ovat myös osa joidenkin tilojen, kuten lumagon ja jännetulehduksen, hoitoa.

Joitakin akustisen energian sovelluksia

- Korkeanergian ultraäänellä, kivet tai munuaisissa ja sappirakon muodostuvat laskelmat voidaan tuhota mineraalisuolojen sateiden vuoksi näissä elimissä.

Voi palvella sinua: piisoksidi (SiO2): rakenne, ominaisuudet, käyttö, hankkiminen

- Geophysics -ultraäänissä käytetään etsintämenetelmiä. Sen periaatteet ovat samanlaisia ​​kuin seismisten menetelmien periaatteet. Niitä voidaan käyttää sovelluksissa, jotka vaihtelevat valtameren helpotuksen muodon määrittämisestä todistajille joustavien moduulien laskemiseksi.

- Elintarviketekniikassa niitä käytetään korkeiden lämpötilojen kestävien mikro -organismien poistamiseen sekä joidenkin elintarvikkeiden tekstuurien ja ominaisuuksien parantamiseen.

Edut

Akustisella energialla on etuja, jotka johtuvat suurelta osin sen alhaisesta laajuudesta. Esimerkiksi, sen tuottaminen ei ole kallista eikä tuota kemiallisia tai muita tyyppejä, koska se hajoaa keskellä nopeasti.

Akustisten energialähteiden suhteen niitä on lukuisia. Kaikista värähtelyistä kykenevistä esineistä voi tulla äänilähde.

Kun käytetään lääketieteellisissä sovelluksissa, esimerkiksi kuvien hankkiminen ultraäänellä, sillä on etuna, että ionisoiva säteily, kuten x -säteily tai tomografia, ei käytä ionisoivaa säteilyä. On tosiasia, että ionisoiva säteily voi aiheuttaa soluvaurioita.

Niiden käyttö vaatii myös suojaustoimenpiteitä, joita tarvitaan ionisoivan säteilyn sovellettaessa. Joukkueet ovat myös halvempia.

Lisäksi ultraäänienergia on ei -invasiivinen menetelmä edellä mainitun munuaisen ja sappilaskelman poistamiseksi, välttäen siten kirurgisia toimenpiteitä.

Periaatteessa se ei tuota saastumista ilmassa tai vesillä. Mutta tiedetään, että merillä on melun pilaantumista ihmisen toiminnan, kuten intensiivisen kalastuksen, geofysikaalisen etsinnän ja kuljetuksen takia.

Haitat

On vaikea ajatella haittoja, joita ilmiö niin luonnollisella kuin äänellä voi olla.

Yksi harvoista on, että suuren voimakkuuden äänet voivat vahingoittaa korvakorun rakennetta ja ajan myötä jatkuvasti paljastavat ihmiset menettävät herkkyytensä.

Erittäin meluisat ympäristöt aiheuttavat stressiä ja epämukavuutta ihmisissä. Toinen haita.

Tämä johtuu siitä, että ääni vaatii aina leviämisvälineiden olemassaolon, ja siksi se on helposti heikentynyt. Toisin sanoen äänenergia imeytyy keskelle nopeammin kuin muun tyyppisten aaltojen, esimerkiksi sähkömagneettiset.

Tästä syystä ääniaaltojen energia on suhteellisen lyhyt kanta ilmassa. Rakenteet ja esineet absorboivat äänen leviäessään, ja sen energia häviää vähitellen lämmössä.

Tämä liittyy tietysti energian säilyttämiseen: energia ei tuhoudu, vaan muuttaa muotoa. Ilman molekyylien värähtelyt ei muuteta vain paineenmuutoksiksi, jotka aiheuttavat ääntä. Värähtelyt aiheuttavat myös lämmön.

Äänen imeytyminen materiaaleissa

Kun ääniaallot vaikuttavat esimerkiksi materiaaliin, kuten esimerkiksi tiiliseinä, osa energiasta heijastuu. Toinen osa häviää lämpöä sekä ilman että materiaalin molekyylin värähtelyn ansiosta; Ja lopuksi jäljellä oleva osa ylittää materiaalin.

Siten ääniaallot voivat heijastua samalla tavalla kuin valo. Äänen heijastus tunnetaan nimellä "kaiku". Mitä jäykempi ja tasaisempi pinta, sitä suurempi kyky heijastaa.

Voi palvella sinua: Punainen kääpiö

Itse asiassa on pintoja, jotka kykenevät tuottamaan useita heijastuksia nimeltään Kaiku. Yleensä tätä tapahtuu pienissä tiloissa ja sitä vältetään asettamalla eristävä materiaali, joten tällä tavoin lähetetyt aallot ja heijastuneet eivät ole päällekkäisiä kuulemisia.

Koko etenemisen ajan akustinen aalto kokee kaikki nämä peräkkäiset tappiot, kunnes lopulta energia imeytyy kokonaan keskelle. Mikä tarkoittaa, että se on muutettu kalorienergiaksi.

Materiaalin kyvyn kvantifioimiseksi on voimakkuus absorboida ääntä. Kutsutaan absorptiokerroin. Se on merkitty α: ksi, ja se on syy absorboitunut energia JA_{Abs -abs} ja tapahtumaenergia JA_inc, Kaikki viittaavat kyseiseen materiaaliin. Se ilmaisee matemaattisesti näin:

α = E_{Abs -abs}/JA_inc

Α: n maksimiarvo on 1 (absorboi äänen kokonaan) ja minimi on 0 (olkoon kaikki ääni pass).

Ääni voi olla haitta useaan otteeseen, kun hiljaisuus on suositeltavaa. Esimerkiksi autot asennetaan äänenvaimentimiin moottorin melun pehmyttämiseksi. Myös muille laitteille, kuten vesipumppuille ja sähkölaitoksille.

Akustinen eristäminen on tärkeää tallennustutkimuksessa. Lähde: Pixabay.

Äänenergiaesimerkkejä

Äänenergiaa on kaikkialla. Tässä on yksinkertainen esimerkki, joka kuvaa äänen ja sen energian ominaisuuksia kvantitatiivisesta näkökulmasta.

Liikuntaa

0,1 g: n nasta massa putoaa 1 m: n korkeudesta. Olettaen, että 0,05 % sen energiasta tulee keston äänipulssi 0.1 s, arvioi mikä on maksimien etäisyys, jolla tapin kaatuminen voidaan kuulla. Olla vähimmäisäänen äänenvoimakkuus 10^-8 W/m².

Ratkaisu

Käytetään aikaisemmin äänenvoimakkuuden kannalta annettua yhtälöä:

Hyvä kysymys on, mistä äänen energia tulee tässä tapauksessa, jonka intensiteetti havaitsee ihmisen korvan.

Vastaus on gravitaatiopotentiaalienergiassa. Juuri siksi, että nasta putoaa tietystä korkeudesta, johon sillä oli potentiaalista energiaa, kun se putoaa.

Ja kun se vaikuttaa maahan, energia siirretään syksyn paikkaa ympäröiville ilmamolekyyleille, mikä antaa äänen.

Gravitaatiopotentiaalienergia TAI On:

U = mgh

Missä m Se on tapinan taikina, g Se on painovoiman kiihtyvyys ja h Se on korkeus, josta se putosi. Näiden numeeristen arvojen korvaaminen, mutta ei ennen kuin teet vastaavia muunnoksia kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä, sinulla on:

U = 0.1 x 10^-3 x 9.8 x 1 J = 0.00098 J

Lausunnossa sanotaan tämän energian, vain 0.05 % muuttuu aiheuttamaan äänipulssia, toisin sanoen nastaan ​​Tintineoon, kun se törmää lattiaa vasten. Siksi äänenergia on:

JA_ääni= 4.9 x 10^-7 J -

Intensiteetin yhtälöstä radio puhdistetaan R - ja äänenergia -arvot korvataan ja_ääni Ja ajan, joka kesti pulssi: 0.1 s lausunnon mukaan.

Siksi enimmäisetäisyys, jolle PIN: n kaatuminen kuuluu, on 6.24 m ympäri.

Viitteet

1. Giancoli, D.  2006. Fysiikka: sovellusten periaatteet. Kuudes painos. Prentice Hall. 332 - 359.
2. Kinsler, L. (2000). Akustisen. 4. ed. Wiley & Sons. 124-125.