LYDENERGI: EGENSKABER, TYPER, ANVENDELSER, FORDELE, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den lydenergi eller akustisk, der bærer lydbølgerne som de udbreder sig i et medium, som kan være en gas, såsom luft, en væske eller et fast stof. Mennesker og mange dyr bruger akustisk energi til at interagere med miljøet.

Til dette har de specialiserede organer, for eksempel stemmebåndene, der er i stand til at producere vibrationer. Disse vibrationer transporteres i luften for at nå ud til andre specialiserede organer, der er ansvarlige for deres fortolkning.

Akustisk energi oversættes til musik gennem lyden af ​​klarinet. Kilde: Pixabay

Vibrationerne forårsager successive kompressioner og udvidelser i luften eller mediet, der omgiver kilden, som forplantes med en bestemt hastighed. Det er ikke partiklerne, der bevæger sig, men de svinger simpelthen med hensyn til deres ligevægtsposition. Forstyrrelsen er det, der overføres.

Som bekendt har objekter, der bevæger sig energi. Således bærer bølgerne, når de bevæger sig i mediet, også den energi, der er forbundet med bevægelsen af ​​partiklerne (kinetisk energi), og også den energi, som mediet i sig selv besidder, kendt som potentiel energi.

egenskaber

Som bekendt har genstande, der bevæger sig energi. På samme måde bærer bølgerne, når de bevæger sig i mediet, den energi, der er forbundet med partiklenes bevægelse (kinetisk energi) og også deformationsenergien af ​​mediet eller den potentielle energi.

Forudsat at en meget lille del af mediet, som kan være luft, har hver partikel med hastighed u kinetisk energi K givet af:

Desuden har partiklen potentiel energi U, der afhænger af den volumenændring, den oplever, hvor Vo er det første volumen, V er det endelige volumen, og p er trykket, der afhænger af position og tid:

Det negative tegn indikerer en stigning i potentiel energi, da forplantningsbølgen fungerer på volumenelementet dV, når det komprimeres, takket være et positivt akustisk tryk.

Massen af væsken element i forhold til det oprindelige densitet ρ _o og den oprindelige mængde V _o er:

Og hvordan massen bevares (princip om bevarelse af masse):

Derfor er den samlede energi sådan:

Beregning af potentiel energi

Integralet kan løses ved hjælp af princippet om bevarelse af masse

Derivatet af en konstant er 0, så (ρ V) '= 0. Derfor:

Isaac Newton bestemte, at:

(dp / dρ) = c ²

Hvor c repræsenterer lydens hastighed i den pågældende væske. Ved at erstatte ovennævnte i integralen opnås mediets potentielle energi:

Hvis A _p og A _v er amplituerne for henholdsvis trykbølgen og hastigheden, er den gennemsnitlige energi ε for lydbølgen:

Lyd kan karakteriseres ved en mængde kaldet intensitet.

Lydens intensitet defineres som den energi, der passerer i et sekund gennem enhedsområdet, der er vinkelret på retningen af ​​lydudbredelse.

Da energien pr. Tidsenhed er kraften P, kan lydstyrken I udtrykkes som:

Hver type lydbølge har en karakteristisk frekvens og bærer en bestemt energi. Alt dette bestemmer dets akustiske opførsel. Da lyd er så vigtig for menneskets liv, klassificeres typerne af lyde i tre store grupper i henhold til frekvensområdet, der kan høres for mennesker:

- Infrasound, hvis frekvens er mindre end 20 Hz.

- Hørbart spektrum med frekvenser fra 20 Hz til 20.000 Hz.

- Ultralyd, med frekvenser større end 20.000 Hz.

Tonehøjden for en lyd, dvs. om den er høj, lav eller medium, afhænger af frekvensen. De lavere frekvenser fortolkes som baslyde, ca. mellem 20 og 400 Hz.

Frekvenser mellem 400 og 1600 Hz betragtes som mellemtoner, mens højder varierer fra 1600 til 20 000 Hz. Højhøjde lyde er lette og gennemtrængende, mens bas opfattes som dybere og blomstrende.

De lyde, du hører hver dag, er komplekse overlejringer af lyde med forskellige frekvenser i nærheden.

Lyd har andre kvaliteter end frekvens, der kan tjene som kriterier for klassificeringen. Eksempler på dem er timbre, varighed og intensitet.

Udligningen består af filtre, der fjerner støj og øger bestemte frekvenser for at forbedre lydkvaliteten. Kilde: Pixabay.

Støj

Det er også vigtigt at skelne mellem ønskede lyde og uønskede lyde eller støj. Da støj altid søges elimineret, klassificeres den efter intensitet og periode i:

- Kontinuerlig støj.

- Fluktuerende støj.

- Impulsiv støj.

Eller ved farver, der er knyttet til deres hyppighed:

- Lyserød støj (svarende til en "shhhhhh").

- Hvid støj (svarende til en "psssssss").

- Brun støj (af Robert Brown, opdageren af ​​Brownsk bevægelse, er en støj, der i høj grad favoriserer lave frekvenser).

Applikationer

Brugen af ​​akustisk energi afhænger af den anvendte lydbølgetype. I intervallet af hørbare bølger er den universelle brug af lyd at tillade tæt kommunikation, ikke kun mellem mennesker, da dyr også kommunikerer ved at udsende lyde.

Lydene er alsidige. Hver adskiller sig efter kilden, der udsender den. På denne måde er variationen af ​​lyde i naturen uendelig: hver menneskelig stemme er forskellig, såvel som de karakteristiske lyde, som dyrearter bruger til at kommunikere med hinanden.

Mange dyr bruger lyden fra lyden til at lokalisere sig selv i rummet og også til at fange deres bytte. De udsender akustiske signaler og har receptororganer, der analyserer de reflekterede signaler. På denne måde får de information om afstande.

Mennesker mangler de organer, der er nødvendige for at bruge lydenergi på denne måde. De har dog oprettet orienteringsenheder såsom ekkolodd, der er baseret på de samme principper, for at lette navigationen.

På den anden side er ultralyd lydbølger, hvis anvendelser er velkendte. I medicin bruges de til at få billeder af det indre af den menneskelige krop. De er også en del af behandlingen af ​​nogle tilstande, såsom lumbago og senebetændelse.

Nogle anvendelser af akustisk energi

- Med højenergi-ultralyd kan sten eller beregninger, der dannes i nyrerne og galdeblæren, ødelægges på grund af udfældning af mineralske salte i disse organer.

- I geofysik bruges ultralyd som efterforskningsmetoder. Dens principper ligner dem ved seismiske metoder. De kan bruges i applikationer, der spænder fra at bestemme formen på havet til lettelse til beregning af elastiske moduler.

- I fødevareteknologi bruges de til at eliminere mikroorganismer, der er modstandsdygtige over for høje temperaturer, samt til at forbedre nogle teksturer og fødevarekvaliteter.

Fordel

Akustisk energi har fordele, der stort set skyldes dens korte rækkevidde. For eksempel er det billigt at fremstille og genererer ikke kemisk eller andet affald, da det hurtigt spredes i mediet.

Hvad angår kilderne til akustisk energi, er de adskillige. Ethvert objekt, der kan vibrere, kan blive en kilde til lyd.

Når det bruges i medicinske applikationer, såsom ultralydsafbildning, har det fordelen ved ikke at bruge ioniserende stråling, såsom røntgenstråler eller tomografi. Det er en kendsgerning, at ioniserende stråling kan forårsage celleskader.

Dets anvendelse kræver ikke de beskyttelsesforanstaltninger, der er nødvendige, når der anvendes ioniserende stråling. Sættene er også billigere.

Ligeledes er ultralydenergi en ikke-invasiv metode til at eliminere ovennævnte nyre og galdesten og således undgå kirurgiske procedurer.

I princippet frembringer det hverken forurening hverken i luften eller i vandet. Men det vides, at der er støjforurening i havet, forårsaget af menneskelige aktiviteter såsom intensivt fiskeri, geofysisk efterforskning og transport.

Ulemper

Det er vanskeligt at tænke på ulemperne ved et så naturligt fænomen som lyd kan have.

Ét af få er, at høje lyde kan skade strukturen på trommehinden, og med tiden få folk til konstant udsættelse at miste deres fornemmelse.

Meget støjende miljøer ender med at forårsage stress og ubehag hos mennesker. En anden ulempe er måske det faktum, at akustisk energi ikke bruges til at bevæge genstande, hvilket gør det meget vanskeligt at drage fordel af vibrationer for at påvirke faste genstande.

Dette skyldes, at lyd altid kræver eksistensen af ​​et medium for at kunne formere sig, og derfor dæmpes det let. Med andre ord optages lydenergi hurtigere i mediet end andre bølgetyper, f.eks. Elektromagnetiske.

Af denne grund er energien fra lydbølger relativt kort rækkevidde i luften. Lyd absorberes af strukturer og genstande, når den forplantes, og dens energi går gradvist op i varme.

Dette er naturligvis relateret til bevarelse af energi: energi ødelægges ikke, men ændrer form. Vibrationerne i molekylerne i luften omdannes ikke kun til trykændringer, der giver anledning til lyd. Vibrationer giver også varme.

Lydabsorption i materialer

Når lydbølger rammer et materiale som en mur, reflekteres en del af energien. En anden del spredes i varme takket være molekylvibrationen i både luften og materialet; og til sidst passerer den resterende fraktion gennem materialet.

Således kan lydbølger reflekteres på samme måde som lys. Reflektionen af ​​lyden er kendt som "ekko". Jo mere stiv og ensartet overfladen er, jo større er reflektionsevnen.

Der er faktisk overflader, der er i stand til at frembringe flere refleksioner, der kaldes efterklang. Normalt forekommer dette i små rum og undgås ved at placere isolerende materiale, således at de udsendte og reflekterede bølger på denne måde ikke overlapper hinanden, hvilket gør høringen vanskelig.

Under al dens udbredelse vil den akustiske bølge opleve alle disse successive tab, indtil energien til sidst er helt absorberet i mediet. Hvilket betyder, at det er blevet omdannet til varmeenergi.

Der er en størrelsesorden til at kvantificere et materiales evne til at absorbere lyd. Det kaldes absorptionskoefficient. Det betegnes som α, og det er forholdet mellem den absorberede energi E _abs og den hændende energi E _inc, alt henvist til det pågældende materiale. Det udtrykkes matematisk sådan:

a = E _abs / E _inc

Den maksimale værdi af α er 1 (absorberer lyd helt) og minimum er 0 (lader al lyd gennem).

Lyd kan være en ulempe ved mange lejligheder, når stilhed foretrækkes. For eksempel er biler udstyret med lyddæmpere til at dæmpe motorlyden. Til andre enheder som vandpumper og kraftværker også.

Lydisolering er vigtigt i et optagestudie. Kilde: Pixabay.

Eksempler på lydenergi

Lydenergi er overalt. Her er et simpelt eksempel, der illustrerer lydens egenskaber og dens energi fra et kvantitativt synspunkt.

Træning løst

En stift med masse 0,1 g falder fra en højde på 1 m. Hvis man antager, at 0,05% af dens energi omdannes til en lydpuls med en varighed på 0,1 s, estimeres den maksimale afstand, hvorpå tappefaldet kan høres. Tag den mindst hørbare lydintensitet 10 til ⁸ W / m ².

Løsning

Ligningen ovenfor er brugt til lydens intensitet:

Et godt spørgsmål er, hvor lydenergien kommer fra i dette tilfælde, hvis intensitet det menneskelige øre registrerer.

Svaret ligger i gravitationspotentialenergi. Netop fordi stiften falder fra en bestemt højde, hvor den havde potentiel energi, når den falder, omdanner den denne energi til kinetisk energi.

Og når den først rammer jorden, overføres energien til luftmolekylerne, der omgiver crashstedet, hvilket giver anledning til lyden.

Gravitationspotentialenergien U er:

Hvor m er massen på tappen, er g tyngdekraften, og h er den højde, hvorfra den faldt. Ved at udskifte disse numeriske værdier, men ikke før de tilsvarende konverteringer foretages i det internationale enhedssystem, har vi:

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

Udsagnet siger, at kun af denne energi transformeres kun 0,05% for at give anledning til lydpulsen, det vil sige pinlen i pinjen, når den rammer gulvet. Derfor er lydenergien:

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

Fra intensitetsligningen ryddes radius R, og værdierne for lydenergien E- _lyden og den tid, hvor den puls, der varede, erstattes: 0,1 s i henhold til udsagnet.

Derfor er den maksimale afstand, hvorpå tappefaldet kan høres, 6,24 m i alle retninger.

Referencer

1. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. Sjette udgave. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Grundlæggende om akustisk. 4. udgave Wiley & sønner. 124-125.