ZVUKOVÁ ENERGIE: VLASTNOSTI, TYPY, POUŽITÍ, VÝHODY, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Zvuková energie nebo akustický, který je nese zvukové vlny, jak se šíří v médiu, které může být plyn, jako například vzduch, kapaliny nebo pevné látky. Lidé a mnoho zvířat používají akustickou energii k interakci s prostředím.

K tomu mají specializované orgány, například hlasivky, schopné produkovat vibrace. Tyto vibrace jsou přenášeny vzduchem, aby se dostaly k jiným specializovaným orgánům odpovědným za jejich interpretaci.

Akustická energie je převedena na hudbu prostřednictvím zvuku klarinetu. Zdroj: Pixabay

Vibrace způsobují postupné stlačování a expanze ve vzduchu nebo médiu obklopujícím zdroj, který se šíří určitou rychlostí. Nejsou to částice, které cestují, ale jednoduše oscilují s ohledem na jejich rovnovážnou polohu. To je to, co se přenáší.

Nyní, jak je známo, objekty, které se pohybují, mají energii. Vlny, které se pohybují v médiu, tedy také nesou energii spojenou s pohybem částic (kinetická energie) a také energii, kterou uvedené médium vlastní, známé jako potenciální energie.

vlastnosti

Jak je známo, objekty, které se pohybují, mají energii. Podobně vlny, které se pohybují v médiu, nesou s sebou energii spojenou s pohybem částic (kinetická energie) a také deformační energii média nebo potenciální energii.

Za předpokladu, že velmi malá část média, kterým může být vzduch, každá částice s rychlostí u, má kinetickou energii K danou:

Kromě toho má částice potenciální energii U, která závisí na změně objemu, kterou zažívá, kde Vo je počáteční objem, V je konečný objem ap je tlak, který závisí na poloze a čase:

Záporné znaménko znamená zvýšení potenciální energie, protože šířící vlna pracuje při objemovém prvku dV při jeho kompresi díky pozitivnímu akustickému tlaku.

Hmotnost tekutinového prvku z hlediska počáteční hustoty ρ _o a počátečního objemu V _o je:

A jak je hmota zachována (princip zachování hmoty):

Celková energie je tedy takto:

Výpočet potenciální energie

Integrál lze vyřešit pomocí principu zachování hmoty

Derivace konstanty je 0, takže (ρ V) '= 0. Proto:

Isaac Newton určil, že:

(dp / dρ) = c ²

Kde c představuje rychlost zvuku v dané tekutině. Nahrazením výše uvedeného integrálu se získá potenciální energie média:

Jestliže A _p a A _v jsou amplitudy tlakové vlny a rychlosti, průměrná energie ε zvukové vlny je:

Zvuk lze charakterizovat veličinou zvanou intenzita.

Intenzita zvuku je definována jako energie, která prochází za jednu sekundu jednotkovou oblastí, která je kolmá ke směru šíření zvuku.

Protože energie za jednotku času je výkon P, lze intenzitu zvuku I vyjádřit jako:

Každý typ zvukové vlny má charakteristickou frekvenci a nese určitou energii. To vše určuje jeho akustické chování. Protože zvuk je pro lidský život tak důležitý, jsou typy zvuků klasifikovány do tří velkých skupin podle rozsahu frekvencí slyšitelných pro člověka:

- infrazvuk, jehož frekvence je menší než 20 Hz.

- slyšitelné spektrum s frekvencemi 20 Hz až 20 000 Hz.

- Ultrazvuk, s frekvencemi vyššími než 20 000 Hz.

Rozteč zvuku, tj. Zda je vysoká, nízká nebo střední, závisí na frekvenci. Dolní frekvence jsou interpretovány jako basové zvuky, přibližně mezi 20 a 400 Hz.

Kmitočty mezi 400 a 1600 Hz jsou považovány za střední tóny, zatímco nejvyšší jsou v rozmezí 1600 až 20 000 Hz. Zvuky s vysokým tónem jsou lehké a pronikavé, zatímco basy jsou vnímány jako hlubší a vzkvétající.

Zvuky, které slyšíte každý den, jsou složité překryvy zvuků s různými frekvencemi v těsné blízkosti.

Zvuk má jiné vlastnosti než frekvence, což může sloužit jako kritéria pro jeho klasifikaci. Příkladem je zabarvení, trvání a intenzita.

Ekvalizér se skládá z filtrů, které odstraňují šum a zvyšují určité frekvence pro zlepšení kvality zvuku. Zdroj: Pixabay.

Hluk

Je také důležité rozlišovat mezi hledanými zvuky a nežádoucími zvuky nebo šumem. Vzhledem k tomu, že se hluk vždy snaží eliminovat, je klasifikován podle intenzity a období v:

- Nepřetržitý hluk.

- Kolísavý hluk.

- Impulsní hluk.

Nebo podle barev, spojené s jejich frekvencí:

- Růžový šum (podobný jako „shhhhhh“).

- Bílý šum (podobný jako „psssssss“).

- Hnědý šum (Robert Brown, objevitel Brownova pohybu, je hluk, který velmi upřednostňuje nízké frekvence).

Aplikace

Využití akustické energie závisí na typu použité zvukové vlny. V rozsahu slyšitelných vln má univerzální využití zvuku umožnit úzkou komunikaci nejen mezi lidmi, protože zvířata také komunikují vydáváním zvuků.

Zvuky jsou všestranné. Každý se liší podle zdroje, který ho vydává. Tímto způsobem je rozmanitost zvuků v přírodě nekonečná: každý lidský hlas je jiný, stejně jako charakteristické zvuky, které zvířecí druhy používají ke vzájemné komunikaci.

Mnoho zvířat využívá energii zvuku k lokalizaci sebe ve vesmíru a také k zachycení své kořisti. Vysílají akustické signály a mají receptorové orgány, které analyzují odražené signály. Tímto způsobem získají informace o vzdálenostech.

Lidské bytosti postrádají orgány nezbytné pro použití zvukové energie tímto způsobem. Nicméně, oni vytvořili orientační zařízení takový jako sonar, založený na stejných principech, usnadnit navigaci.

Na druhé straně jsou ultrazvukem zvukové vlny, jejichž aplikace jsou dobře známy. V medicíně se používají k získání snímků interiéru lidského těla. Jsou také součástí léčby některých stavů, jako je lumbago a zánět šlach.

Některé aplikace akustické energie

- U vysokoenergetického ultrazvuku mohou být kameny nebo kameny, které se tvoří v ledvinách a žlučníku, zničeny kvůli srážení minerálních solí v těchto orgánech.

- V geofyzice se jako metody průzkumu používá ultrazvuk. Její principy jsou podobné principům seismických metod. Mohou být použity v aplikacích od stanovení tvaru oceánu po reliéf až po výpočet elastických modulů.

- V potravinářské technologii se používají k eliminaci mikroorganismů odolných vůči vysokým teplotám a ke zlepšení některých textur a vlastností potravin.

Výhoda

Akustická energie má výhody, které jsou do značné míry dány jejím krátkým dosahem. Například je levné vyrábět a nevytváří chemické ani jiné odpady, protože se rychle rozptýlí v médiu.

Pokud jde o zdroje akustické energie, jsou početné. Zdrojem zvuku se může stát jakýkoli objekt schopný vibrovat.

Při použití v lékařských aplikacích, jako je ultrazvukové zobrazování, má výhodu, že nepoužívá ionizující záření, jako jsou rentgenové paprsky nebo tomografie. Je faktem, že ionizující záření může způsobit poškození buněk.

Jeho použití nevyžaduje ochranná opatření, která jsou nezbytná při použití ionizujícího záření. Sady jsou také levnější.

Podobně je ultrazvuková energie neinvazivní metodou k odstranění výše uvedených ledvin a žlučových kamenů, čímž se zabrání chirurgickým zákrokům.

V zásadě nezpůsobuje znečištění ani ve vzduchu, ani ve vodách. Je však známo, že v mořích je hluk způsobený lidskými činnostmi, jako je intenzivní rybolov, geofyzikální průzkum a doprava.

Nevýhody

Je obtížné přemýšlet o nevýhodách, které může mít jev tak přirozený jako zvuk.

Jedním z mála je, že hlasité zvuky mohou poškodit strukturu ušního bubínku a v průběhu času způsobí, že neustále vystavení lidé ztratí svůj pocit.

Velmi hlučné prostředí nakonec způsobuje stres a nepohodlí u lidí. Další nevýhodou je možná skutečnost, že se k pohybu objektů nepoužívá akustická energie, takže je velmi obtížné využít vibrací k ovlivnění pevných předmětů.

Důvodem je, že zvuk vždy vyžaduje existenci média, aby se mohl šířit, a proto je snadno utlumený. Jinými slovy, zvuková energie je absorbována do média rychleji než u jiných typů vln, například elektromagnetických.

Z tohoto důvodu je energie zvukových vln ve vzduchu relativně krátká. Zvuk je absorbován strukturami a objekty, zatímco se šíří, a jeho energie se postupně rozptyluje v teplo.

To samozřejmě souvisí s úsporou energie: energie není zničena, ale mění se forma. Vibrace molekul ve vzduchu se nejen proměňují v změny tlaku, které způsobují zvuk. Vibrace také vyvolávají teplo.

Absorpce zvuku v materiálech

Když například zvukové vlny zasáhnou materiál, jako je cihlová zeď, odráží se část energie. Další část je rozptylována v teplu díky molekulární vibraci vzduchu i materiálu; a nakonec zbývající část prochází materiálem.

Zvukové vlny se tak mohou odrážet stejným způsobem jako světlo. Odraz zvuku je známý jako „echo“. Čím pevnější a rovnoměrnější povrch, tím větší je schopnost odrazu.

Ve skutečnosti existují povrchy, které jsou schopné produkovat vícenásobné odrazy zvané ozvěny. Obvykle k tomu dochází v malých prostorech a je tomu zabráněno umístěním izolačního materiálu tak, aby se takto emitované a odrazené vlny nepřekrývaly, což ztěžuje sluch.

Během celé své šíření bude akustická vlna pociťovat všechny tyto následné ztráty, až nakonec bude energie úplně absorbována v médiu. Což znamená, že byla přeměněna na tepelnou energii.

Je zde velikost kvantifikovat schopnost materiálu absorbovat zvuk. Říká se tomu absorpční koeficient. Označuje se jako α a je to poměr mezi absorbovanou energií E _abs a dopadající energií E _inc, všechny se vztahují k dotyčnému materiálu. Je vyjádřeno matematicky takto:

a = E _abs / E _vč

Maximální hodnota α je 1 (zcela pohlcuje zvuk) a minimum je 0 (propouští veškerý zvuk).

Zvuk může být nevýhodou v mnoha případech, kdy je preferováno ticho. Například automobily jsou vybaveny tlumiči hluku, které tlumí zvuky motoru. Pro další zařízení, jako jsou vodní čerpadla a elektrárny.

Zvuková izolace je důležitá v nahrávacím studiu. Zdroj: Pixabay.

Příklady zvukové energie

Zvuková energie je všude. Zde je jednoduchý příklad, který ilustruje vlastnosti zvuku a jeho energii z kvantitativního hlediska.

Cvičení vyřešeno

Kolík o hmotnosti 0,1 g padá z výšky 1 m. Předpokládejme, že 0,05% jeho energie je přeměněno na zvukový pulz v trvání 0,1 s, odhadněte maximální vzdálenost, ve které lze slyšet pokles špendlíku. Vezměte jako minimální slyšitelnou intenzitu zvuku 10 ^-8 W / m ².

Řešení

Výše uvedená rovnice se použije pro intenzitu zvuku:

Dobrou otázkou je, odkud zvuková energie pochází, v tomto případě, jejíž intenzitu lidské ucho detekuje.

Odpověď je v energii gravitačního potenciálu. Právě proto, že kolík padá z určité výšky, ve které měl potenciální energii, protože padá, přeměňuje tuto energii v kinetickou energii.

A jakmile dopadne na zem, energie je přenesena do molekul vzduchu obklopujících místo havárie, čímž vzniká zvuk.

Gravitační potenciální energie U je:

Kde m je hmotnost špendlíku, g je gravitační zrychlení a h je výška, ze které spadl. Nahrazením těchto číselných hodnot, ale ne dříve, než provedeme odpovídající převody v mezinárodním systému jednotek, máme:

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

Prohlášení říká, že z této energie je transformováno pouze 0,05%, aby vznikl zvukový pulz, tj. Cinkání špendlíku, když dopadne na podlahu. Zvuková energie je proto:

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

Z rovnice intenzity se poloměr R vynuluje a hodnoty zvukové energie E _zvuk a doba trvání pulsu se nahradí: 0,1 s podle příkazu.

Proto je maximální vzdálenost, ve které bude pokles kolíku slyšitelný, ve všech směrech 6,24 m.

Reference

1. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. Šesté vydání. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Základy akustiky. 4. vyd. Wiley & Sons. 124-125.