- jellemzők
- A potenciális energia kiszámítása
- Zaj
- Alkalmazások
- Néhány akusztikus energia alkalmazás
- Előny
- hátrányok
- Hangok elnyelése az anyagokban
- Példák a hangenergiára
- A feladat megoldódott
- Megoldás
- Irodalom
A hangenergia vagy az akusztika, amely a hanghullámokat hordozza, amikor egy közegben terjednek, amely lehet gáz, például levegő, folyadék vagy szilárd anyag. Az emberek és sok állat akusztikus energiát használnak a környezettel való kölcsönhatásba.
Ehhez speciális szervek vannak, például hangkábelek, amelyek képesek rezgéseket előidézni. Ezeket a rezgéseket a levegőben továbbítják, hogy más speciális szervekhez érjék, amelyek felelősek értelmezésükért.
Az akusztikus energiát a klarinét hangja közvetíti a zenébe. Forrás: Pixabay
A rezgések egymást követő összenyomódásokat és expanziókat okoznak a forrást körülvevő levegőben vagy közegben, amelyek bizonyos sebességgel terjednek. Nem a részecskék mozognak, hanem egyszerűen csak oszcillálnak egyensúlyi helyzetük szempontjából. A zavar az, amit továbbítanak.
Most, mint ismert, a mozgó tárgyak energiával rendelkeznek. Így a hullámok, amikor a közegben haladnak, szintén hordozzák a részecskék mozgásával járó energiát (kinetikus energia), valamint azt az energiát is, amelyet az említett közeg belsőleg birtokol, potenciális energiának nevezzük.
jellemzők
Mint ismeretes, a mozgó tárgyak energiával rendelkeznek. Hasonlóképpen, a hullámok, amikor a közegben haladnak, magukkal hordozzák a részecskék mozgásával járó energiát (kinetikus energia), valamint a közeg vagy a potenciális energia deformációjának energiáját.
Feltételezve, hogy a közeg nagyon kis részét, amely lehet levegő, mindegyik u sebességű részecske K kinetikus energiájával adja meg:
Ezenkívül a részecske U potenciális energiájával függ az általa tapasztalt térfogatváltozástól, ahol Vo a kezdeti térfogat, V a végső térfogat és p a nyomás, amely a helytől és az időtől függ:
A negatív jel a potenciális energia növekedését jelzi, mivel a terjedő hullám a pozitív akusztikus nyomásnak köszönhetően a dV térfogatelemen működik, amikor azt összenyomják.
A folyadék elem tömege a ρ o kezdeti sűrűség és a V o kezdeti térfogat szempontjából:
És a tömeg megőrzése (a tömeg megőrzésének elve):
Ezért a teljes energia ilyen:
A potenciális energia kiszámítása
Az integrál a tömegmegőrzés elvével oldható meg
Egy állandó deriváltja 0, tehát (ρ V) '= 0. Ezért:
Isaac Newton megállapította, hogy:
(dp / dρ) = c 2
Ahol c jelenti a hang sebességét a szóban forgó folyadékban. A fentieknek az integrálban való helyettesítésével a közeg potenciális energiáját kapjuk:
Ha A p és A v a nyomáshullám és a sebesség amplitúdója, akkor a hanghullám átlagos energiája ε:
A hangot egy intenzitásnak nevezett mennyiség jellemzi.
A hang intenzitása az az energia, amely egy másodpercen át halad át a egység területén, amely merőleges a hang terjedésének irányára.
Mivel az időegységre eső energia P teljesítmény, az I hang intenzitása kifejezhető:
A hanghullámok minden típusa jellegzetes frekvenciával rendelkezik és bizonyos energiát hordoz. Mindez meghatározza akusztikus viselkedését. Mivel a hang annyira fontos az emberi életben, a hangok típusait három nagy csoportba osztják, az ember számára hallható frekvenciatartomány szerint:
- Infravörös, amelynek frekvenciája kevesebb, mint 20 Hz.
- Hallható spektrum, 20 Hz és 20 000 Hz közötti frekvenciával.
- Ultrahang, 20 000 Hz-nél nagyobb frekvenciával.
A hang hangmagassága, azaz hogy magas, alacsony vagy közepes, a frekvenciától függ. Az alacsonyabb frekvenciákat basszushangként értelmezik, körülbelül 20 és 400 Hz között.
A 400 és 1600 Hz közötti frekvenciát középső hangnak tekintik, míg a csúcsérték 1600 és 20 000 Hz között van.
A minden nap hallható hangok összetett hangfóliák, különféle frekvenciákkal a közelben.
A hangnak a frekvencián kívül más tulajdonságai is vannak, amelyek kritériumként szolgálhatnak osztályozásához. Ezekre példa a hangszó, az időtartam és az intenzitás.
A hangszínszabályzó szűrőkből áll, amelyek eltávolítják a zajt, és frekvenciákat emelnek a hangminőség javítása érdekében. Forrás: Pixabay.
Zaj
Fontos különbséget tenni a kívánt hangok és a nem kívánt hangok vagy zaj között is. Mivel a zajt mindig el kell távolítani, az intenzitás és az időtartam alapján kell besorolni:
- Folyamatos zaj.
- Ingatag zaj.
- Impulzív zaj.
Vagy színek alapján, a gyakoriságukhoz viszonyítva:
- Rózsaszín zaj (hasonlóan a "shhhhhh" -hoz).
- Fehér zaj (hasonlóan a "pssssss" -hez).
- Barna zaj (Robert Brown, a Brownian mozgás felfedezője olyan zaj, amely nagymértékben kedvezi az alacsony frekvenciákat).
Alkalmazások
Az akusztikus energia felhasználása az alkalmazott hanghullám típusától függ. A hallható hullámok tartományában a hang univerzális használata lehetővé teszi a szoros kommunikációt, nem csak az emberek között, mivel az állatok hangok kibocsátásával is kommunikálnak.
A hangok sokoldalúak. Mindegyik különbözik a kibocsátó forrástól függően. Így a természetben zajló hangok sokszínűsége végtelen: minden emberi hang különbözik, csakúgy, mint a jellegzetes hangok, amelyekkel az állatfajok kommunikálnak egymással.
Számos állat a hang energiáját használja az űrben való elhelyezkedéshez és a zsákmány elfogásához. Akusztikus jeleket bocsátanak ki, és olyan receptor szervekkel rendelkeznek, amelyek elemzik a visszavert jeleket. Ily módon információkat szereznek a távolságokról.
Az embereknek hiányoznak a szervek, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a hangenergiát ilyen módon használják. Ugyanezen elveken alapuló orientációs eszközöket, például szonátot hoztak létre a navigáció megkönnyítése érdekében.
Másrészt az ultrahang olyan hanghullám, amelynek alkalmazása jól ismert. A gyógyászatban képeket kapnak az emberi test belsejéről. Ezenkívül bizonyos állapotok, például lumbago és íngyulladás kezelésének részét képezik.
Néhány akusztikus energia alkalmazás
- Nagy energiájú ultrahanggal a vesékben és az epehólyagban képződő kövek vagy mészkő elpusztulhat az ásványi sók kicsapódása miatt ezekben a szervekben.
- A geofizikában az ultrahangot kutatási módszerként használják. Alapelvei hasonlóak a szeizmikus módszerekhez. Használhatók alkalmazásokban, az óceán alakjának meghatározásától a megkönnyebbülésig és a rugalmas modulok kiszámításáig.
- Az élelmiszer-technológiában a magas hőmérsékleten ellenálló mikroorganizmusok eltávolítására, valamint az élelmiszer bizonyos textúrájának és minőségének javítására használják.
Előny
Az akusztikus energiának vannak olyan előnyei, amelyek nagyrészt annak rövid hatótávolságának tudhatók be. Például olcsó előállítani, és nem termel kémiai vagy egyéb hulladékokat, mivel gyorsan eloszlik a közegben.
Ami az akusztikus energia forrásait illeti, ezek száma sok. Bármely, a vibrációra képes tárgy hangforrássá válhat.
Orvosi alkalmazásokban, például ultrahangos képalkotásban az az előnye, hogy nem használ ionizáló sugárzást, például röntgenfelvételeket vagy tomográfiát. Tény, hogy az ionizáló sugárzás sejtkárosodást okozhat.
Használata nem igényli az ionizáló sugárzás alkalmazásakor szükséges védőintézkedéseket. A készletek szintén olcsóbbak.
Hasonlóképpen, az ultrahangos energia nem invazív módszer a fent említett vese és epekövek kiküszöbölésére, elkerülve ezzel a műtéti eljárásokat.
Alapvetően nem hoz létre szennyezést sem a levegőben, sem a vizekben. De tudjuk, hogy a tengerekben zajszennyezés áll fenn olyan emberi tevékenységek miatt, mint az intenzív halászat, a geofizikai kutatások és a szállítás.
hátrányok
Nehéz meggondolni azokat a hátrányokat, amelyek egy olyan természetes jelenségnek, mint a hang, előfordulhatnak.
A kevesek egyike az, hogy a hangos hangok károsíthatják a dobhártya szerkezetét, és az idő múlásával a folyamatosan kitett emberek elveszthetik szenzációjukat.
A nagyon zajos környezet stresszt és kellemetlenséget okoz az emberekben. További hátrány lehet, hogy az akusztikus energiát nem használják tárgyak mozgatására, ami nagyon megnehezíti a rezgések kihasználását a szilárd tárgyak befolyásolására.
Ennek oka az, hogy a hang terjesztéséhez mindig szükséges egy közeg létezése, és ezért a hang könnyen elnyomható. Más szavakkal: a hangenergia a közegben gyorsabban szívódik fel, mint más típusú hullámok, például az elektromágneses hullámoké.
Ezért a hanghullámok energiája a levegőben viszonylag kis hatótávolságú. A hangot a struktúrák és a tárgyak elnyelik, ahogy terjed, és energiája fokozatosan eloszlik a hőben.
Természetesen ez kapcsolódik az energiamegtakarításhoz: az energiát nem pusztítják el, hanem megváltoznak. A levegőben levő molekulák rezgései nem csak nyomásváltozásokká alakulnak át, amelyek hangot adnak. A rezgések hőt is okoznak.
Hangok elnyelése az anyagokban
Amikor például hanghullámok olyan anyagot érnek el, mint egy téglafal, az energia egy része visszatükröződik. Egy másik rész eloszlik a hőben, mind a levegő, mind az anyag molekuláris rezgésének köszönhetően; és végül a fennmaradó frakció áthalad az anyagon.
Így a hanghullámok ugyanolyan módon tükröződhetnek, mint a fény. A hang visszatükröződését "visszhangnak" nevezzük. Minél merevebb és egyenletesebb a felület, annál nagyobb a visszaverődés képessége.
Valójában vannak olyan felületek, amelyek képesek több visszatükröződésre, úgynevezett visszaverődésre. Ez általában kis terekben fordul elő, és szigetelőanyag elhelyezésével elkerülhető, így a kibocsátott és visszavert hullámok nem fedik át egymást, megnehezítve a hallást.
Az akusztikus hullám az egész terjedése során mindezen egymást követő veszteségeket fogja tapasztalni, amíg az energia teljes mértékben felszívódik a közegben. Ami azt jelenti, hogy hőenergiává vált.
Van egy nagyságrend, hogy mennyiségileg meghatározzuk az anyag hangszívó képességét. Ezt nevezzük abszorpciós együtthatónak. Ezt α-nak kell jelölni, és ez az abszorbeált E abs energia és a beeső E inc energia aránya, mind a kérdéses anyagra vonatkoztatva. Matematikailag így fejezik ki:
α = E abs / E inc
Az α maximális értéke 1 (teljesen elnyeli a hangot) és a minimum 0 (lehetővé teszi az összes hang átjutását).
A hang számos esetben hátrányt jelenthet, amikor a csendet részesítik előnyben. Például az autók hangtompítókkal vannak felszerelve, hogy tompítsák a motor zaját. Más eszközökre, például vízszivattyúkra és erőművekre is.
A hangszigetelés fontos a stúdióban. Forrás: Pixabay.
Példák a hangenergiára
A hangenergia mindenütt megtalálható. Itt van egy egyszerű példa, amely kvantitatív szempontból szemlélteti a hang és az energia tulajdonságait.
A feladat megoldódott
Egy 0,1 g tömegű tű esik 1 m magasságból. Feltételezve, hogy az energia 0,05% -a 0,1 s hosszúságú hangimpulzussá alakul át, becsülje meg azt a maximális távolságot, amelyen a csap esik. Vegye figyelembe a minimális hallható hangintenzitást 10–8 W / m 2.
Megoldás
A fent megadott egyenletet a hang intenzitásához kell használni:
Jó kérdés az, hogy honnan származik a hangenergia, amelynek az intenzitását az emberi fül érzékeli.
A válasz gravitációs potenciál energiában rejlik. Pontosan azért, mert a csap egy bizonyos magasságból esik, amelyen potenciális energiája volt, mivel esik, és ezt az energiát kinetikus energiává alakítja.
Miután elérte a talajt, az energia átkerül az ütközés helyét körülvevő légmolekulákba, és így hang keletkezik.
Az U gravitációs potenciális energia:
Ahol m a csap tömege, g a gravitáció gyorsulása, h pedig a magassága, ahonnan esett. Ezeknek a számértékeknek a helyettesítésével, de mielőtt a megfelelő konverziót elvégezzük a Nemzetközi Egységrendszerben, megvan:
U = 0,1 x 10 -3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J
Az állítás azt mondja, hogy ennek az energianak csak 0,05% -a transzformálódik, hogy kiváltja a hangimpulzust, azaz a csap összehúzódását, amikor az a padlóra ütközik. Ezért a hangenergia:
E hang = 4,9 x 10-7 J
Az intenzitási egyenletből az R sugarat töröljük, és az E hanghangos energia értékeit és az impulzus idejét helyettesítjük: az állítás szerint 0,1 s.
Ezért a tű távolsága, amelyen a csap leesik, minden irányban 6,24 m lesz.
Irodalom
- Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. Hatodik kiadás. Prentice Hall. 332-359.
- Kinsler, L. (2000). Az akusztika alapjai. 4. kiadás, Wiley & Sons. 124-125.