LJUDENERGI: EGENSKAPER, TYPER, ANVÄNDNINGAR, FÖRDELAR, EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den ljudenergi eller akustisk som bär ljudvågorna när de utbreder sig i ett medium, som kan vara en gas såsom luft, en vätska eller en fast substans. Människor och många djur använder akustisk energi för att interagera med miljön.

För detta har de specialiserade organ, till exempel stämband, som kan producera vibrationer. Dessa vibrationer transporteras i luften för att nå andra specialiserade organ som ansvarar för deras tolkning.

Akustisk energi översätts till musik genom klarinettljudet. Källa: Pixabay

Vibrationerna orsakar successiva kompressioner och expansioner i luften eller mediet som omger källan, som sprider sig med en viss hastighet. Det är inte partiklarna som rör sig, men de svänger helt enkelt med avseende på deras jämviktsposition. Störningen är vad som överförs.

Som känt har föremål som rör sig energi. Således bär vågorna när de reser i mediet också med sig energin associerad med partiklarnas rörelse (kinetisk energi), och även den energi som nämnda medium i sig besitter, känd som potentiell energi.

egenskaper

Som känt har föremål som rör sig energi. På samma sätt bär vågorna när de reser i mediet, med sig energin associerad med partiklarnas rörelse (kinetisk energi) och även deformationsenergin för mediet eller potentiell energi.

Förutsatt att en mycket liten del av mediet, som kan vara luft, har varje partikel med hastighet u, kinetisk energi K ges av:

Dessutom har partikeln potentiell energi U som beror på den volymförändring den upplever, där Vo är den initiala volymen, V är den slutliga volymen och p är trycket, vilket beror på position och tid:

Det negativa tecknet indikerar en ökning av potentiell energi, eftersom den förökande vågen fungerar på volymelementet dV när man komprimerar den, tack vare ett positivt akustiskt tryck.

Massan av den fluidelement i termer av den initiala densiteten ρ _o och den initiala volymen V _o är:

Och hur massan bevaras (principen om bevarande av massan):

Därför är den totala energin så här:

Beräkning av potentiell energi

Integralen kan lösas med hjälp av principen om bevarande av massa

Derivatet av en konstant är 0, så (ρ V) '= 0. Därför:

Isaac Newton bestämde att:

(dp / dρ) = c ²

Där c representerar ljudets hastighet i vätskan i fråga. Genom att ersätta ovanstående i integralen erhålls mediets potentiella energi:

Om A _p och A _v är amplituderna för tryckvågen respektive hastigheten är ljudvågens genomsnittliga energi ε:

Ljud kan kännetecknas av en kvantitet som kallas intensitet.

Ljudintensiteten definieras som energin som passerar på en sekund genom enhetsområdet som är vinkelrätt mot riktningen för ljudutbredningen.

Eftersom energin per tidsenhet är effekten P, kan ljudets intensitet uttryckas som:

Varje typ av ljudvåg har en karakteristisk frekvens och bär en viss energi. Allt detta avgör dess akustiska beteende. Eftersom ljud är så viktigt för människors liv, klassificeras ljudtyperna i tre stora grupper, beroende på frekvensområdet som hörs för människor:

- Infrasound, vars frekvens är mindre än 20 Hz.

- Hörbart spektrum med frekvenser från 20 Hz till 20 000 Hz.

- Ultraljud, med frekvenser större än 20 000 Hz.

Tonhöjden för ett ljud, det vill säga om det är högt, lågt eller medium, beror på frekvensen. De lägre frekvenserna tolkas som basljud, ungefär mellan 20 och 400 Hz.

Frekvenser mellan 400 och 1600 Hz betraktas som mellantoner, medan höjdpunkter sträcker sig från 1600 till 20 000 Hz. Höga ljud är ljusa och genomträngande, medan bas uppfattas som djupare och blomstrande.

De ljud du hör varje dag är komplexa överlagringar av ljud med olika frekvenser i närheten.

Ljud har andra kvaliteter än frekvens, som kan tjäna som kriterier för klassificeringen. Exempel på dem är timbre, varaktighet och intensitet.

Utjämnaren består av filter som tar bort brus och ökar vissa frekvenser för att förbättra ljudkvaliteten. Källa: Pixabay.

Ljud

Det är också viktigt att skilja mellan önskade ljud och oönskade ljud eller ljud. Eftersom buller alltid försöks elimineras klassificeras det efter intensitet och period i:

- Kontinuerligt ljud.

- Fluktuerande brus.

- Impulsivt ljud.

Eller efter färger, kopplade till deras frekvens:

- Rosa ljud (liknande en "shhhhhh").

- Vitt brus (liknande ett "psssssss").

- Brunt brus (av Robert Brown, upptäckaren av Brownsk rörelse, är ett brus som gynnar låga frekvenser).

tillämpningar

Användningen av akustisk energi beror på vilken typ av ljudvåg som används. Inom området hörbara vågor är universell användning av ljud att möjliggöra nära kommunikation, inte bara mellan människor, eftersom djur också kommunicerar genom att avge ljud.

Ljuden är mångsidiga. Var och en skiljer sig beroende på källan som avger den. På detta sätt är mångfalden av ljud i naturen oändlig: varje mänsklig röst är olika, liksom de karakteristiska ljuden som djurarter använder för att kommunicera med varandra.

Många djur använder ljudets energi för att lokalisera sig själva i rymden och också för att fånga sitt byte. De avger akustiska signaler och har receptororgan som analyserar de reflekterade signalerna. På detta sätt får de information om avstånd.

Människor saknar de organ som krävs för att använda sonisk energi på detta sätt. De har dock skapat orienteringsenheter som ekolod, baserat på samma principer, för att underlätta navigering.

Å andra sidan är ultraljud ljudvågor vars applikationer är välkända. Inom medicin används de för att få bilder av människans kropp. De är också en del av behandlingen av vissa sjukdomar som lumbago och senbetein.

Vissa tillämpningar av akustisk energi

- Med högenergi-ultraljud kan stenar eller beräkningar som bildas i njurarna och gallblåsan förstöras på grund av utfällningen av mineralsalter i dessa organ.

- I geofysik används ultraljud som prospekteringsmetoder. Dess principer liknar seismiska metoder. De kan användas i applikationer som sträcker sig från bestämning av havets form till lättnad till beräkning av elastiska moduler.

- I livsmedelsteknik används de för att eliminera mikroorganismer som är resistenta mot höga temperaturer, samt för att förbättra vissa texturer och livsmedelskvaliteter.

Fördel

Akustisk energi har fördelar som till stor del beror på dess korta räckvidd. Till exempel är det billigt att producera och genererar inte kemiskt eller annat avfall, eftersom det snabbt sprids i mediet.

Vad gäller källorna till akustisk energi är de många. Alla objekt som kan vibrera kan bli en ljudkälla.

När den används i medicinska tillämpningar, såsom ultraljudsavbildning, har den fördelen att inte använda joniserande strålning, som röntgenstrålar eller tomografi. Det är ett faktum att joniserande strålning kan orsaka cellskador.

Dess användning kräver inte de skyddsåtgärder som krävs när joniserande strålning tillämpas. Satserna är också billigare.

Likaså är ultraljudsenergi en icke-invasiv metod för att eliminera de nämnda njurarna och gallstenen och därmed undvika kirurgiska ingrepp.

I princip genererar det inte förorening varken i luften eller i vattnen. Men det är känt att det finns bullerföroreningar i haven, orsakade av mänskliga aktiviteter som intensivt fiske, geofysisk prospektering och transport.

nackdelar

Det är svårt att tänka på nackdelarna som ett så naturligt fenomen som ljud kan ha.

En av få är att höga ljud kan skada trumhinnans struktur och med tiden göra att utsatta människor kontinuerligt tappar sin känsla.

Mycket bullriga miljöer medför stress och obehag hos människor. En annan nackdel är kanske det faktum att akustisk energi inte används för att flytta föremål, vilket gör det mycket svårt att dra nytta av vibrationer för att påverka fasta föremål.

Detta beror på att ljud alltid kräver att ett medium finns för att kunna sprida sig, och därför dämpas det lätt. Med andra ord, ljudenergi absorberas i mediet snabbare än hos andra vågor, till exempel elektromagnetiska.

Av denna anledning är energin från ljudvågor relativt kort avstånd i luften. Ljud absorberas av strukturer och föremål när det sprider sig, och dess energi sprids gradvis till värme.

Naturligtvis är detta relaterat till bevarande av energi: energi förstörs inte utan förändrar form. Vibrationerna i molekylerna i luften omvandlas inte bara till tryckförändringar som ger upphov till ljud. Vibrationer ger också värme.

Ljudabsorption i material

När till exempel ljudvågor träffar ett material som en tegelvägg återspeglas en del av energin. En annan del sprids i värme, tack vare molekylvibrationen i både luften och materialet; och slutligen passerar den återstående fraktionen genom materialet.

Således kan ljudvågor reflekteras på samma sätt som ljus. Reflektionen av ljudet kallas "eko". Ju mer styv och enhetlig ytan, desto större reflektionsförmåga.

Det finns faktiskt ytor som kan producera flera reflektioner som kallas efterklang. Vanligtvis inträffar detta i små utrymmen och undviks genom att placera isolerande material, så att på detta sätt överlappar de utsända och reflekterade vågorna, vilket gör hörsel svår.

Under all dess utbredning kommer den akustiska vågen att uppleva alla dessa på varandra följande förluster tills äntligen energin är helt absorberad i mediet. Vilket innebär att det har förvandlats till värmeenergi.

Det finns en storlek att kvantifiera ett materials förmåga att absorbera ljud. Det kallas absorptionskoefficient. Det betecknas α, och det är förhållandet mellan den absorberade energin E _abs och den infallande energin E _inc , allt hänvisat till materialet i fråga. Det uttrycks matematiskt så här:

a = E _abs / E _inc

Det maximala värdet för α är 1 (absorberar ljudet helt) och det minsta är 0 (låter allt ljud genom).

Ljud kan vara en nackdel vid många tillfällen när tystnad föredras. Till exempel är bilar försedda med ljuddämpare för att dämpa motorns ljud. Till andra enheter som vattenpumpar och kraftverk också.

Ljudisolering är viktigt i en inspelningsstudio. Källa: Pixabay.

Exempel på ljudenergi

Ljudenergi finns överallt. Här är ett enkelt exempel som illustrerar ljudets egenskaper och dess energi ur en kvantitativ synvinkel.

Träningen löst

En tapp med massa 0,1 g faller från en höjd av 1 m. Antagande att 0,05% av dess energi omvandlas till en ljudpuls med varaktighet 0,1 s, uppskatta det maximala avståndet vid vilket tappens fall kan höras. Ta som minsta hörbara ljudintensitet ^10-8 W / m ² .

Lösning

Ekvationen som anges ovan kommer att användas för ljudets intensitet:

En bra fråga är var ljudenergin kommer ifrån i detta fall, vars intensitet det mänskliga örat upptäcker.

Svaret är i gravitationspotentialenergi. Just för att stiftet faller från en viss höjd, vid vilken den hade potentiell energi, när den faller omvandlar den denna energi till kinetisk energi.

Och när den träffar marken överförs energin till luftmolekylerna som omger kraschplatsen, vilket ger upphov till ljudet.

Gravitationspotentialenergin U är:

Där m är stiftets massa, är g tyngdkraften och h är den höjd från vilken den föll. Att ersätta dessa numeriska värden, men inte innan du gör motsvarande omvandlingar i det internationella enhetssystemet, har vi:

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

Uttalandet säger att endast den här energin transformeras bara 0,05% för att ge upphov till ljudpulsen, det vill säga tippningen av tappen när den träffar marken. Därför är ljudenergin:

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

Från intensitetsekvationen raderas radien R och värdena på ljudenergin E- _ljudet och tiden som varade pulsen ersätts : 0,1 s enligt uttalandet.

Därför är det maximala avståndet vid vilket tappfällan kommer att höras 6,24 m i alla riktningar.

referenser

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjätte upplagan. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Fundamentals of Acoustic. 4: e Wiley & Sons. 124-125.