ЗВУКОВАЯ ЭНЕРГИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДЫ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Звуковая энергия или акустическая , которые несут звуковые волны при их распространении в среде, которая может представлять собой газ , такие как воздух, жидкость или твердое вещество. Люди и многие животные используют акустическую энергию для взаимодействия с окружающей средой.

Для этого у них есть специализированные органы, например голосовые связки, способные производить вибрации. Эти колебания переносятся по воздуху и достигают других специализированных органов, отвечающих за их интерпретацию.

Акустическая энергия транслируется в музыку через звук кларнета. Источник: Pixabay

Колебания вызывают последовательные сжатия и расширения в воздухе или среде, окружающей источник, которые распространяются с определенной скоростью. Путешествуют не частицы, а просто колеблются относительно своего положения равновесия. Нарушение - это то, что передается.

Как известно, движущиеся объекты обладают энергией. Таким образом, волны, перемещаясь в среде, несут с собой энергию, связанную с движением частиц (кинетическую энергию), а также энергию, которой сама среда обладает, известную как потенциальная энергия.

характеристики

Как известно, движущиеся объекты обладают энергией. Точно так же волны, когда они движутся в среде, несут с собой энергию, связанную с движением частиц (кинетическую энергию), а также энергию деформации среды или потенциальную энергию.

Предполагая, что очень маленькая часть среды, которой может быть воздух, каждая частица со скоростью u имеет кинетическую энергию K, определяемую как:

Кроме того, частица имеет потенциальную энергию U, которая зависит от изменения объема, которое она испытывает, где Vo - начальный объем, V - конечный объем, а p - давление, которое зависит от положения и времени:

Отрицательный знак указывает на увеличение потенциальной энергии, поскольку распространяющаяся волна воздействует на элемент объема dV при его сжатии благодаря положительному акустическому давлению.

Масса жидкого элемента с учетом начальной плотности ρ _o и начального объема V _o равна:

И как сохраняется масса (принцип сохранения массы):

Следовательно, полная энергия такая:

Расчет потенциальной энергии

Интеграл можно решить, используя принцип сохранения массы

Производная постоянной равна 0, поэтому (ρ V) '= 0. Следовательно:

Исаак Ньютон определил, что:

(dp / dρ) = c ²

Где c представляет собой скорость звука в рассматриваемой жидкости. Подставляя указанное выше в интеграл, получаем потенциальную энергию среды:

Если A _p и A _v - амплитуды волны давления и скорости соответственно, средняя энергия ε звуковой волны равна:

Звук можно охарактеризовать величиной, которая называется интенсивностью.

Интенсивность звука определяется как энергия, которая проходит за одну секунду через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения звука.

Поскольку энергия в единицу времени - это мощность P, интенсивность звука I может быть выражена как:

Каждый тип звуковой волны имеет характерную частоту и несет определенную энергию. Все это определяет его акустическое поведение. Поскольку звук так важен для жизни человека, типы звуков подразделяются на три большие группы в соответствии с диапазоном частот, слышимых человеком:

- Инфразвук, частота которого менее 20 Гц.

- Звуковой спектр с частотами от 20 Гц до 20 000 Гц.

- Ультразвук с частотами более 20 000 Гц.

Высота звука, то есть высокий, низкий или средний, зависит от частоты. Более низкие частоты интерпретируются как басовые звуки, примерно от 20 до 400 Гц.

Частоты от 400 до 1600 Гц считаются средними тонами, а высокие - от 1600 до 20 000 Гц. Высокие звуки легкие и пронзительные, а басы воспринимаются более глубокими и гулкими.

Звуки, которые вы слышите каждый день, представляют собой сложные наложения звуков различной частоты в непосредственной близости.

У звука есть качества, отличные от частоты, которые могут служить критериями для его классификации. Примерами их являются тембр, продолжительность и интенсивность.

Эквалайзер состоит из фильтров, которые удаляют шум и повышают определенные частоты для улучшения качества звука. Источник: Pixabay.

Шум

Также важно различать желаемые звуки и нежелательные звуки или шум. Поскольку всегда стремятся устранить шум, его классифицируют по интенсивности и периоду в следующих категориях:

- Непрерывный шум.

- Колеблющийся шум.

- Импульсный шум.

Или по цветам, связанным с их частотой:

- Розовый шум (похожий на «шшшшш»).

- Белый шум (похож на «пссссссс»).

- Коричневый шум (Роберт Браун, первооткрыватель броуновского движения, это шум, который в значительной степени способствует низким частотам).

Приложения

Использование акустической энергии зависит от типа используемой звуковой волны. В диапазоне слышимых волн универсальное использование звука заключается в обеспечении тесного общения не только между людьми, поскольку животные также общаются, издавая звуки.

Звуки универсальны. Каждый из них отличается в зависимости от источника его излучения. Таким образом, разнообразие звуков в природе бесконечно: каждый человеческий голос отличается, как и характерные звуки, которые животные используют для общения друг с другом.

Многие животные используют энергию звука для определения своего местоположения в пространстве, а также для захвата своей добычи. Они излучают акустические сигналы и имеют рецепторные органы, которые анализируют отраженные сигналы. Таким образом они получают информацию о расстояниях.

У людей отсутствуют органы, необходимые для использования звуковой энергии таким образом. Однако они создали устройства ориентации, такие как гидролокатор, основанные на тех же принципах, чтобы облегчить навигацию.

С другой стороны, ультразвук - это звуковые волны, применение которых хорошо известно. В медицине они используются для получения изображений внутренней части человеческого тела. Они также являются частью лечения некоторых состояний, таких как люмбаго и тендинит.

Некоторые применения акустической энергии

- С помощью ультразвука высокой энергии камни или конкременты, образующиеся в почках и желчном пузыре, могут быть разрушены из-за осаждения минеральных солей в этих органах.

- В геофизике ультразвук используется как поисковый метод. Его принципы аналогичны принципам сейсмических методов. Их можно использовать в различных приложениях, от определения формы океана до рельефа и расчета модулей упругости.

- В пищевой технологии они используются для уничтожения микроорганизмов, устойчивых к высоким температурам, а также для улучшения текстуры и качества пищевых продуктов.

преимущество

Акустическая энергия имеет преимущества, которые во многом связаны с ее малым радиусом действия. Например, его производство недорогое, и при этом не образуются химические или другие отходы, поскольку он быстро растворяется в среде.

Что касается источников акустической энергии, то их множество. Источником звука может стать любой объект, способный вибрировать.

При использовании в медицинских целях, таких как ультразвуковая визуализация, он имеет то преимущество, что не использует ионизирующее излучение, такое как рентгеновские лучи или томография. Это факт, что ионизирующее излучение может вызвать повреждение клеток.

Его использование не требует мер защиты, которые необходимы при применении ионизирующего излучения. Комплекты также дешевле.

Точно так же ультразвуковая энергия - это неинвазивный метод удаления вышеупомянутых камней в почках и желчном пузыре, что позволяет избежать хирургических процедур.

В принципе, он не вызывает загрязнения ни в воздухе, ни в воде. Но известно, что в море существует шумовое загрязнение, вызванное деятельностью человека, например, интенсивным рыболовством, геофизическими исследованиями и транспортировкой.

Недостатки

Трудно представить себе недостатки такого естественного явления, как звук.

Одним из немногих является то, что громкие звуки могут повредить структуру барабанной перепонки, и со временем люди, постоянно подвергающиеся воздействию, теряют чувствительность.

Очень шумная среда в конечном итоге вызывает у людей стресс и дискомфорт. Другой недостаток, возможно, заключается в том, что акустическая энергия не используется для перемещения объектов, что очень затрудняет использование вибраций для воздействия на твердые объекты.

Это связано с тем, что звук всегда требует наличия среды для распространения, и поэтому он легко ослабляется. Другими словами, звуковая энергия поглощается в среде быстрее, чем энергия других типов волн, например электромагнитных.

По этой причине энергия звуковых волн в воздухе относительно короткодействующая. Звук поглощается конструкциями и объектами по мере его распространения, а его энергия постепенно превращается в тепло.

Конечно, это связано с сохранением энергии: энергия не разрушается, а меняет форму. Колебания молекул в воздухе не только преобразуются в изменения давления, которые вызывают звук. Вибрации также вызывают нагревание.

Звукопоглощение в материалах

Когда звуковые волны ударяются о такой материал, как, например, кирпичная стена, часть энергии отражается. Другая часть рассеивается в тепле благодаря молекулярной вибрации воздуха и материала; и, наконец, оставшаяся фракция проходит через материал.

Таким образом, звуковые волны могут отражаться так же, как и свет. Отражение звука известно как «эхо». Чем жестче и однороднее поверхность, тем больше способность отражать.

Фактически, есть поверхности, способные создавать множественные отражения, называемые реверберациями. Обычно это происходит в небольших помещениях, и этого можно избежать путем размещения изоляционного материала, чтобы излучаемая и отраженная волны не перекрывались, что затрудняет слух.

Во время своего распространения акустическая волна будет испытывать все эти последовательные потери, пока, наконец, энергия не будет полностью поглощена средой. Это означает, что она была преобразована в тепловую энергию.

Существует величина, позволяющая количественно оценить способность материала поглощать звук. Это называется коэффициентом поглощения. Он обозначается как α, и это отношение между поглощенной энергией E _abs и падающей энергией E _inc , все относится к рассматриваемому материалу. Математически это выражается так:

α = E _абс / E _инкр.

Максимальное значение α равно 1 (полностью поглощает звук), а минимальное - 0 (пропускает весь звук).

Звук может быть недостатком во многих случаях, когда предпочтительнее тишина. Например, автомобили оснащены глушителями для снижения шума двигателя. К другим устройствам, таким как водяные насосы и электростанции.

Звукоизоляция важна в студии звукозаписи. Источник: Pixabay.

Примеры звуковой энергии

Звуковая энергия везде. Вот простой пример, иллюстрирующий свойства звука и его энергию с количественной точки зрения.

Упражнение решено

Штифт массой 0,1 г падает с высоты 1 м. Предполагая, что 0,05% его энергии преобразуется в звуковой импульс длительностью 0,1 с, оцените максимальное расстояние, на котором можно услышать падение иглы. За минимальную интенсивность слышимого звука принять ^10-8 Вт / м ² .

Решение

Приведенное выше уравнение будет использоваться для оценки интенсивности звука:

Хороший вопрос: откуда в данном случае берется звуковая энергия, интенсивность которой распознает человеческое ухо.

Ответ заключается в гравитационной потенциальной энергии. Именно потому, что штифт падает с определенной высоты, на которой у него была потенциальная энергия, при падении он преобразует эту энергию в кинетическую энергию.

И как только он ударяется о землю, энергия передается молекулам воздуха, окружающим место крушения, и возникает звук.

Гравитационная потенциальная энергия U равна:

Где m - масса штифта, g - ускорение свободного падения, а h - высота, с которой он упал. Подставляя эти числовые значения, но не ранее, чем производя соответствующие преобразования в Международной системе единиц, мы имеем:

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

В заявлении говорится, что из этой энергии только 0,05% преобразуется, чтобы вызвать звуковой импульс, то есть звон булавки при ударе об пол. Следовательно, звуковая энергия равна:

_Звук Е = 4,9 x ^10-7 Дж

Из уравнения интенсивности удаляется радиус R и подставляются значения звуковой энергии E _sound и время, в течение которого длился импульс: 0,1 с согласно утверждению.

Следовательно, максимальное расстояние, на котором будет слышно падение штифта, составляет 6,24 м во всех направлениях.

Ссылки

1. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Издание шестое. Прентис Холл. 332-359.
2. Кинслер, Л. (2000). Основы акустики. 4-е изд., Wiley & Sons. 124-125.