ÄÄNENERGIA: OMINAISUUDET, TYYPIT, KÄYTÖT, EDUT, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2025

Äänen energia tai akustinen, joka lähettää ääniaaltoja, kun ne etenevät väliaineessa, joka voi olla kaasua, kuten ilmaa, nestettä tai kiinteää ainetta. Ihmiset ja monet eläimet käyttävät akustista energiaa vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa.

Tätä varten heillä on erikoistuneita elimiä, esimerkiksi äänenjohdot, jotka kykenevät tuottamaan tärinää. Nämä värähtelyt kulkeutuvat ilmassa päästäkseen muihin erikoistuneisiin elimiin, jotka vastaavat niiden tulkinnasta.

Akustinen energia muunnetaan musiikkiin klarinetin äänen kautta. Lähde: Pixabay

Värähtelyt aiheuttavat peräkkäisiä puristuksia ja laajennuksia ilmassa tai lähteen ympärillä olevassa väliaineessa, jotka etenevät tietyllä nopeudella. Hiukkaset eivät kulje, vaan ne vain värähtelevät tasapainotilaansa nähden. Häiriö on mitä välitetään.

Nyt, kuten tiedetään, liikkuvilla esineillä on energiaa. Siten aallot, kun ne kulkevat väliaineessa, kantavat myös mukanaan hiukkasten liikkeeseen liittyvää energiaa (kineettinen energia) ja myös energiaa, joka tällä väliaineella on luonnostaan ​​olemassa, nimeltään potentiaalinen energia.

ominaisuudet

Kuten tiedetään, liikkuvilla esineillä on energiaa. Samoin aallot kuljettaessaan väliaineessa kantavat mukanaan hiukkasten liikkeeseen liittyvää energiaa (kineettinen energia) ja myös väliaineen tai potentiaalienergian muodonmuutoksen energiaa.

Olettaen, että hyvin pieni osa väliainetta, joka voi olla ilmaa, jokaisella hiukkasella, jonka nopeus on u, on kineettinen energia K, jonka muodostaa:

Lisäksi hiukkasella on potentiaalienergiaa U, joka riippuu sen kokemasta tilavuuden muutoksesta, missä Vo on alkuperäinen tilavuus, V on lopullinen tilavuus ja p on paine, joka riippuu paikasta ja ajasta:

Negatiivinen merkki osoittaa potentiaalienergian lisääntymistä, koska etenemisaalto toimii tilavuusosassa dV sen puristamisen aikana positiivisen akustisen paineen ansiosta.

Nestemäisen elementin massa alkuperäisellä tiheydellä ρ _o ja alkuperäisellä tilavuudella V _o on:

Ja miten massa säilyy (massan säilymisen periaate):

Siksi kokonaisenergia on seuraava:

Potentiaalienergian laskeminen

Integri voidaan ratkaista käyttämällä massan säilyttämisen periaatetta

Vakion johdannainen on 0, joten (ρ V) '= 0. Siksi:

Isaac Newton totesi, että:

(dp / dρ) = c ²

Missä c edustaa äänen nopeutta kyseisessä nesteessä. Korvaamalla yllä oleva integraalissa väliaineen potentiaalienergia saadaan:

Jos A _p ja A _v ovat vastaavasti paineaallon ja nopeuden amplitudit, ääniaallon keskimääräinen energia ε on:

Ääni voidaan karakterisoida määrällä, jota kutsutaan voimakkuudeksi.

Äänen voimakkuus määritellään energiana, joka kulkee sekunnissa yksikön alueen läpi, joka on kohtisuora äänen etenemissuuntaan nähden.

Koska energiaa aikayksikköä kohti on teho P, äänen voimakkuus I voidaan ilmaista:

Jokaisella ääniaallotyypillä on ominaistajuus ja se kuljettaa tietyn energian. Kaikki tämä määrittelee sen akustisen käyttäytymisen. Koska ääni on niin tärkeä ihmisen elämässä, äänityypit luokitellaan kolmeen suureen ryhmään ihmisille kuuluvien taajuusalueiden mukaan:

- Infrapunasäte, jonka taajuus on alle 20 Hz.

- Kuultava spektri, taajuuksilla 20 - 20 000 Hz.

- Ultraääni, taajuuksilla, jotka ovat yli 20 000 Hz.

Äänen korkeus, ts. Se, onko se korkea, matala tai keskimääräinen, riippuu taajuudesta. Alemmat taajuudet tulkitaan bassoääninä, noin 20 - 400 Hz.

Taajuuksia välillä 400–1600 Hz pidetään keskitasoina, kun taas korkeimmat ovat välillä 1600–20 000 Hz. Korkeat äänet ovat kevyitä ja lävistäviä, kun taas basso katsotaan syvemmäksi ja kukoistavaksi.

Joka päivä kuulemasi äänet ovat monimutkaisia ​​ääniä eri taajuuksilla lähellä.

Äämällä on muita ominaisuuksia kuin taajuus, jota voidaan käyttää kriteerinä sen luokittelussa. Esimerkkejä näistä ovat ääni, kesto ja voimakkuus.

Taajuuskorjain koostuu suodattimista, jotka poistavat kohinan ja lisäävät tiettyjä taajuuksia äänenlaadun parantamiseksi. Lähde: Pixabay.

melu

On myös tärkeää tehdä ero haluttujen ja ei-toivottujen äänien tai melun välillä. Koska melua pyritään aina poistamaan, se luokitellaan voimakkuuden ja ajanjakson mukaan:

- Jatkuva melu.

- Vaihteleva melu.

- impulsiivinen melu.

Tai väreillä, jotka liittyvät niiden taajuuteen:

- vaaleanpunainen kohina (samanlainen kuin "shhhhhh").

- Valkoinen kohina (samanlainen kuin "psssssss").

- Ruskea melu (Robert Brownin, Brownian liikkeen löytäjä, on melu, joka suosii suuresti matalia taajuuksia).

Sovellukset

Akustisen energian käyttö riippuu käytetyn ääniaallon tyypistä. Äänen aaltojen alueella äänen yleinen käyttö on mahdollistaa läheinen kommunikointi paitsi ihmisten välillä, koska eläimet kommunikoivat myös lähettämällä ääniä.

Äänet ovat monipuolisia. Jokainen eroaa lähteen mukaan, joka sitä emittoi. Tällä tavoin luonnon äänien moninaisuus on ääretön: jokaisen ihmisen ääni on erilainen, samoin kuin ominaiset äänet, joita eläinlajit käyttävät kommunikoidakseen keskenään.

Monet eläimet käyttävät äänen energiaa paikantaakseen avaruuteensa ja saaliinsa sieppaamiseen. Ne lähettävät akustisia signaaleja ja niissä on reseptoreja, jotka analysoivat heijastettuja signaaleja. Tällä tavalla he saavat tietoa etäisyyksistä.

Ihmisistä puuttuu elimiä, joita tarvitaan äänenergian käyttämiseen tällä tavalla. Ne ovat kuitenkin luoneet samoihin periaatteisiin perustuvat suuntalaitteet kuten luotaimen navigoinnin helpottamiseksi.

Toisaalta ultraääni on ääniaalto, jonka sovellukset ovat hyvin tunnettuja. Niitä käytetään lääketieteessä kuvien saamiseen ihmisen kehosta. Ne ovat myös osa joidenkin sairauksien, kuten lumbago ja jännetulehdus, hoitoa.

Jotkut akustisen energian sovellukset

- Voimakkaalla ultraäänellä munuaisiin ja sappirakkoon muodostuneet kivet tai kivet voivat tuhota, koska näihin elimiin on kertynyt mineraalisuoloja.

- Geofysiikassa ultraääntä käytetään etsintämenetelminä. Sen periaatteet ovat samanlaisia ​​kuin seismisten menetelmien. Niitä voidaan käyttää sovelluksissa, jotka vaihtelevat valtameren muodon määrittämisestä helpotukseen elastisten moduulien laskemiseen.

- Ruokateknologiassa niitä käytetään poistamaan korkeille lämpötiloille vastustuskykyisiä mikro-organismeja sekä parantamaan joidenkin ruoan rakenteita ja ominaisuuksia.

Etu

Akustisella energialla on etuja, jotka johtuvat pitkälti sen lyhyestä etäisyydestä. Esimerkiksi on halpaa tuottaa eikä siitä muodostu kemiallisia tai muita jätteitä, koska se hajoaa väliaineessa nopeasti.

Mitä tulee akustisen energian lähteisiin, niitä on paljon. Mistä tahansa värisevästä esineestä voi tulla äänilähde.

Kun sitä käytetään lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten ultraäänikuvauksessa, etuna on se, että se ei käytä ionisoivaa säteilyä, kuten röntgenkuvat tai tomografia. On totta, että ionisoiva säteily voi aiheuttaa soluvaurioita.

Sen käyttö ei vaadi suojatoimenpiteitä, joita tarvitaan ionisoivan säteilyn soveltamisessa. Sarjat ovat myös halvempia.

Samoin ultraäänienergia on ei-invasiivinen menetelmä edellä mainittujen munuaisten ja sappikivien poistamiseksi, välttäen siten kirurgiset toimenpiteet.

Periaatteessa se ei aiheuta pilaantumista ilmassa eikä vesissä. Mutta tiedetään, että merillä on melupäästöjä, jotka johtuvat ihmisen toiminnasta, kuten intensiivisestä kalastuksesta, geofysikaalisesta etsinnästä ja kuljetuksista.

haitat

On vaikea ajatella haittoja, joita niin luonnollinen ilmiö kuin ääni voi olla.

Yksi harvoista on se, että kovat äänet voivat vahingoittaa korvakkeen rakennetta ja saada ajan myötä jatkuvasti altistuvat ihmiset menettämään sensaation.

Erittäin meluisa ympäristö aiheuttaa lopulta stressiä ja epämukavuutta ihmisille. Toinen haitta on ehkä se, että akustista energiaa ei käytetä esineiden liikuttamiseen, mikä tekee tärinän hyödyntämisestä erittäin vaikeaa vaikuttaakseen kiinteisiin esineisiin.

Tämä johtuu siitä, että ääni vaatii aina väliaineen olemassaolon etenemisen mahdollistamiseksi, ja siksi se on vaimennettu helposti. Toisin sanoen äänenergia imeytyy väliaineeseen nopeammin kuin muun tyyppiset aallot, esimerkiksi sähkömagneettiset.

Tästä syystä ääniaaltojen energia on ilmassa melko lyhyen kantaman. Rakenteet ja esineet absorboivat äänen leviäessään, ja sen energia hajoaa vähitellen lämmöksi.

Tämä liittyy tietysti energian säästämiseen: energiaa ei tuhota, vaan muuttuu muoto. Ilmassa olevien molekyylien värähtelyt eivät vain muutu paineen muutoksiksi, jotka aiheuttavat äänen. Tärinä aiheuttaa myös lämpöä.

Äänenvaimennus materiaaleissa

Kun ääniaallot osuvat esimerkiksi materiaaliin, kuten tiiliseinään, osa energiasta heijastuu. Toinen osa häviää lämmössä sekä ilman että materiaalin molekyylinärinän ansiosta; ja lopulta jäljellä oleva fraktio kulkee materiaalin läpi.

Ääniaallot voivat siis heijastua samalla tavalla kuin valo. Äänen heijastus tunnetaan nimellä "kaiku". Mitä jäykempi ja yhtenäisempi pinta, sitä suurempi on kyky heijastua.

Itse asiassa on pintoja, jotka kykenevät tuottamaan useita heijastuksia, joita kutsutaan jälkikaikuiksi. Yleensä tämä tapahtuu pienissä tiloissa, ja se vältetään sijoittamalla eristemateriaalia siten, että tällä tavoin emittoidut ja heijastuneet aallot eivät ole päällekkäin, mikä vaikeuttaa kuuloa.

Koko leviämisen ajan akustinen aalto kokee kaikki nämä peräkkäiset häviöt, kunnes lopulta energia absorboituu alustaan ​​kokonaan. Mikä tarkoittaa, että se on muutettu lämpöenergiaksi.

Materiaalin kyky absorboida ääntä on suuruusluokkaa. Sitä kutsutaan absorptiokerroimeksi. Sitä kutsutaan a: ksi, ja se on absorboidun energian E _abs ja tulevan energian E _inc välinen suhde, jotka kaikki viitataan kyseiseen materiaaliin. Se ilmaistaan ​​matemaattisesti seuraavasti:

a = E _abs / E _inc

Maksimiarvo α on 1 (absorboi äänen kokonaan) ja minimiarvo on 0 (antaa kaiken äänen läpi).

Ääni voi olla haitta monissa tilanteissa, kun hiljaisuus on suositeltavaa. Esimerkiksi autoissa on äänenvaimentimet moottorin melun vaimentamiseksi. Muihin laitteisiin, kuten vesipumppuihin ja voimalaitoksiin.

Äänieristys on tärkeä äänitysstudiossa. Lähde: Pixabay.

Esimerkkejä äänenergiasta

Äänenergiaa on kaikkialla. Tässä on yksinkertainen esimerkki, joka kuvaa äänen ja sen energian ominaisuuksia kvantitatiivisesta näkökulmasta.

Harjoitus ratkaistu

0,1 g: n massatappi putoaa 1m korkeudesta. Jos oletetaan, että 0,05% sen energiasta muuntuu 0,1 s kestäväksi äänipulssiksi, arvioi suurin etäisyys, jolla tapin pudotus kuuluu. Otetaan vähintään äänenvoimakkuus ^10–8 W / m ².

Ratkaisu

Edellä annettua yhtälöä käytetään äänen voimakkuuteen:

Hyvä kysymys on, mistä äänienergia tulee tässä tapauksessa, sen intensiteetin, jonka ihmisen korva havaitsee.

Vastaus on potentiaalisessa energiassa. Juuri siksi, että tappi putoaa tietyltä korkeudelta, jolla sillä oli potentiaalienergiaa, pudotessaan se muuttaa tämän energian kineettiseksi energiaksi.

Ja kun se osuu maahan, energia siirretään törmäyspaikkaa ympäröiville ilmamolekyyleille, jolloin syntyy ääni.

Painovoimapotentiaalienergia U on:

Missä m on tapin massa, g on painopistekiihtyvyys ja h on korkeus, josta se putosi. Korvaamalla nämä numeeriset arvot, mutta emme ennen vastaavien muunnosten tekemistä kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä, meillä on:

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

Lausunnossa sanotaan, että tästä energiasta vain 0,05% muuntuu antamaan äänipulssi, ts. Tapin tarttuvuus, kun se osuu lattiaan. Siksi äänenergia on:

E _ääni = 4,9 x 10 - ⁷ J

Intensiteetin yhtälöstä, säde R on poistettu ja arvot äänen energia E _ääni ja aika, jonka pulssi kesti on substituoitu: 0,1 s ilmoituksen mukaan.

Siksi suurin etäisyys, jolla tapin pudotus kuuluu, on 6,24 m kaikkiin suuntiin.

Viitteet

1. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. Kuudes painos. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Akustiikan perusteet. 4. toim. Wiley & Sons. 124-125.