Lydenergikarakteristikker, typer, bruksområder, fordeler, eksempler

De lydenergi eller akustisk er en som transporterer lydbølger når de forplanter seg i et medium, som kan være en gass som luft, en væske eller et fast stoff. Mennesker og mange dyr bruker akustisk energi til å samhandle med miljøet.

For dette har de spesialiserte organer, for eksempel stemmebåndene, som kan produsere vibrasjoner. Disse vibrasjonene transporteres i luften for å nå andre spesialiserte organer som har ansvaret for tolkningen..

Vibrasjonene forårsaker suksessive kompresjoner og utvidelser i luften eller mediet som omgir kilden, som forplanter seg med en viss hastighet. Det er ikke partiklene som beveger seg, men de er begrenset til å svinge med hensyn til likevektsposisjon. Forstyrrelse er det som overføres.

Nå, som kjent, har gjenstander som beveger seg energi. Dermed bærer bølgene når de beveger seg i mediet også energien assosiert med bevegelsen av partiklene (kinetisk energi), og også energien som mediet egentlig har, kjent som potensiell energi..

Artikkelindeks

• 1 Funksjoner
  • 1.1 Beregning av potensiell energi
  • 1.2 Støyen
• 2 bruksområder
  • 2.1 Noen anvendelser av akustisk energi
• 3 fordeler
• 4 Ulemper
  • 4.1 Lydabsorpsjon i materialer
• 5 Eksempler på lydenergi
  • 5.1 Øvelse løst
• 6 Referanser

Kjennetegn

Som kjent har gjenstander som beveger seg energi. På samme måte bærer bølgene når de vandrer i mediet, energien forbundet med bevegelsen av partiklene (kinetisk energi) og også deformasjonsenergien til mediet eller potensiell energi.

Forutsatt at en veldig liten del av mediet, som kan være luft, hver partikkel med hastighet eller, har kinetisk energi K gitt av:

K = ½ mu^to

Partikkelen har også potensiell energi ELLER som avhenger av volumendringen den opplever, å være Vo startvolumet, V sluttvolumet og s trykk, som avhenger av posisjon og tid:

Det negative tegnet indikerer en økning i potensiell energi, siden bølgen forplantes fungerer på volumelementet dV når komprimert, takket være et positivt lydtrykk.

Væskeelementets masse når det gjelder den opprinnelige tettheten ρ_eller og startvolumet V_eller Det er:

m_eller= ρ_ellerV_eller

Og hvordan masse konserveres (prinsipp for bevaring av masse):

ρV = ρ_ellerV_eller = konstant

Derfor er den totale energien slik:

Beregning av potensiell energi

Integralet kan løses ved hjelp av prinsippet om bevaring av masse

m_eller = m_F

Derivatet av en konstant er 0, så (ρV) ' = 0. Derfor:

dV = (-V / ρ) dρ

Isaac Newton bestemte at:

(dp / dρ) = c^to

Hvor c representerer lydhastigheten i den aktuelle væsken. Ved å erstatte det ovennevnte i integralet, oppnås den potensielle energien til mediet:

Ja A_s allerede_v er amplitudene til henholdsvis trykkbølgen og hastigheten, er den gjennomsnittlige energien ε for lydbølgen:

Lyd kan karakteriseres av en mengde som kalles intensitet.

Lydens intensitet er definert som energien som passerer i løpet av ett sekund gjennom overflatenheten som er vinkelrett på lydens forplantningsretning..

Siden energi per tidsenhet er kraft P, lydens intensitet Jeg kan uttrykkes som:

Hver type lydbølge har en karakteristisk frekvens og bærer en viss energi. Alt dette bestemmer dets akustiske oppførsel. Ettersom lyd er så viktig for menneskelivet, blir lydtypene klassifisert i tre store grupper, i henhold til frekvensområdet som er hørbart for mennesker:

- Infralyd, hvis frekvens er mindre enn 20 Hz.

- Hørbart spektrum, med frekvenser fra 20 Hz til 20 000 Hz.

- Ultralyd, med frekvenser større enn 20.000 Hz.

Tonehøyde for en lyd, det vil si om den er høy, lav eller middels, avhenger av frekvensen. Lavere frekvenser tolkes som basslyder, omtrent mellom 20 og 400 Hz.

Frekvenser mellom 400 og 1600 Hz regnes som mellomtoner, mens høydepunktene varierer fra 1600 til 20 000 Hz. Høylydende lyder er lette og piercing, mens bass oppfattes som dypere og blomstrende..

Lydene du hører hver dag er komplekse overlegg av lyder med forskjellige frekvenser i umiddelbar nærhet..

Lyd har andre kvaliteter enn frekvens, som kan tjene som kriterier for klassifisering. Eksempler på dem er klangfarge, varighet og intensitet.

Bråk

Det er også viktig å skille mellom ønsket lyd og uønskede lyder eller støy. Siden støy alltid søkes eliminert, klassifiseres den etter intensitet og periode i:

- Kontinuerlig støy.

- Svingende støy.

- Impulsiv støy.

Eller etter farger, knyttet til frekvensen:

- Rosa støy (ligner en “shhhhhh”).

- Hvit støy (ligner på enpsssssss”).

- Brun støy (av Robert Brown, oppdageren av brunsk bevegelse, er støy som favoriserer lave frekvenser).

applikasjoner

Bruken av akustisk energi avhenger av typen lydbølge som brukes. I rekkevidden av hørbare bølger er den universelle bruken av lyd å tillate tett kommunikasjon, ikke bare mellom mennesker, siden dyr også kommuniserer ved å sende ut lyder.

Lydene er allsidige. Hver er forskjellig i henhold til kilden som sender ut den. På denne måten er mangfoldet av lyder i naturen uendelig: hver menneskestemme er forskjellig, så vel som de karakteristiske lydene som dyrearter bruker for å kommunisere med hverandre..

Mange dyr bruker lydens energi til å lokalisere seg i rommet og også for å fange byttedyrene sine. De avgir akustiske signaler og har reseptororganer som analyserer de reflekterte signalene. På denne måten får de informasjon om avstandene.

Mennesker mangler organene som er nødvendige for å bruke lydenergi på denne måten. Imidlertid har de laget orienteringsenheter som ekkolodd, basert på de samme prinsippene, for å lette navigasjonen..

På den annen side er ultralyd lydbølger hvis applikasjoner er velkjente. I medisin brukes de til å skaffe bilder av det indre av menneskekroppen. De er også en del av behandlingen av noen tilstander som lumbago og senebetennelse.

Noen anvendelser av akustisk energi

- Med høyenergi-ultralyd kan steinene eller kalkene som dannes i nyrene og galleblæren på grunn av utfelling av mineralsalter i disse organene ødelegges..

- I geofysikk brukes ultralyd som prospekteringsmetoder. Prinsippene er lik de for seismiske metoder. De kan brukes i applikasjoner som spenner fra å bestemme havets form til lettelse til å beregne elastiske moduler.

- I matteknologi brukes de til å eliminere mikroorganismer som er motstandsdyktige mot høye temperaturer, samt for å forbedre noen teksturer og kvaliteter av mat.

Fordel

Akustisk energi har fordeler som i stor grad skyldes dets begrensede rekkevidde. For eksempel er det billig å produsere og ikke genererer kjemisk eller annet avfall, da det forsvinner raskt i mediet.

Når det gjelder kildene til akustisk energi, er de mange. Ethvert objekt som kan vibrere, kan bli en lydkilde.

Når det brukes i medisinske applikasjoner, for eksempel ultralyd, har det fordelen av ikke å bruke ioniserende stråling, slik som røntgen eller tomografi. Det er et faktum at ioniserende stråling kan forårsake celleskader.

Bruken av den krever ikke de beskyttelsestiltakene som er nødvendige når ioniserende stråling påføres. Utstyr er billigere også.

Likeledes er ultralydsenergi en ikke-invasiv metode for å eliminere de nevnte nyre- og gallesteinene, og dermed unngå kirurgiske inngrep..

I prinsippet genererer den ikke forurensning verken i luften eller i vannet. Men det er kjent at det er støyforurensning i havene på grunn av menneskelige aktiviteter som intensivt fiske, geofysisk leting og transport..

Ulemper

Det er vanskelig å tenke på ulempene som et så naturlig fenomen som lyd kan ha.

En av få er at høye lyder kan skade strukturen i trommehinnen og forårsake kontinuerlig utsatte mennesker til å miste følelsen over tid..

Svært støyende omgivelser ender opp med stress og ubehag for mennesker. En annen ulempe er kanskje det faktum at akustisk energi ikke brukes til å flytte gjenstander, noe som gjør det veldig vanskelig å dra nytte av vibrasjoner for å påvirke faste gjenstander..

Dette er fordi lyd alltid krever eksistensen av et medium for å kunne forplante seg, og derfor lett dempes. Det vil si at lydenergi absorberes raskere i mediet enn for andre typer bølger, for eksempel elektromagnetisk.

Av denne grunn er energien til lydbølger relativt kort rekkevidde i luft. Lyd absorberes av strukturer og gjenstander når den forplanter seg, og energien forsvinner gradvis i varme..

Selvfølgelig er dette knyttet til bevaring av energi: energi blir ikke ødelagt, men endrer form. Vibrasjonene fra molekylene i luften blir ikke bare transformert til trykkendringer som gir lyd. Vibrasjoner gir også varme.

Lydabsorpsjon i materialer

Når lydbølger treffer et materiale som for eksempel en murvegg, reflekteres noe av energien. En annen del blir spredt i varme takket være den molekylære vibrasjonen i både luften og materialet; og til slutt passerer den gjenværende fraksjonen gjennom materialet.

Dermed kan lydbølger reflekteres på samme måte som lys gjør. Refleksjonen av lyd er kjent som "ekko." Jo mer stiv og jevn overflaten er, desto større er evnen til å reflektere..

Faktisk er det overflater som er i stand til å produsere flere refleksjoner etterklang. Vanligvis skjer dette i små rom og unngås ved å plassere isolerende materiale, slik at de utsendte og reflekterte bølgene ikke overlapper hverandre, noe som gjør det vanskelig å høre..

Under all forplantning vil den akustiske bølgen oppleve alle disse suksessive tapene til endelig energien er fullstendig absorbert i mediet. Noe som betyr at den har blitt forvandlet til varmeenergi.

Det er en størrelse å kvantifisere et materiales evne til å absorbere lyd. Det kalles absorpsjonskoeffisienten. Det er betegnet som α, og er forholdet mellom absorbert energi OG_abs og hendelsesenergi OG_{inkl. mva}, alle refererer til det aktuelle materialet. Det uttrykkes matematisk slik:

α = E_abs/OG_{inkl. mva}

Maksimumsverdien av α er 1 (absorberer lyd helt) og minimum er 0 (slipper all lyd gjennom).

Lyd kan være en ulempe ved mange anledninger når stillhet foretrekkes. For eksempel er biler utstyrt med lyddempere for å dempe motorlyden. Til andre enheter som vannpumper og kraftverk også.

Eksempler på lydenergi

Lydenergi er overalt. Her er et enkelt eksempel som illustrerer egenskapene til lyd og energi fra et kvantitativt synspunkt.

Treningen løst

En nål med en masse på 0,1 g faller fra en høyde på 1m. Forutsatt at 0,05% av energien blir konvertert til en lydpuls med varighet 0,1 s, estimer du den maksimale avstanden som pinfallet kan høres fra. Ta minst mulig lydintensitet 10^-8 W / m^to.

Løsning

Ligningen gitt ovenfor vil bli brukt for lydens intensitet:

Et godt spørsmål er hvor lydenergien kommer fra i dette tilfellet, den hvis intensitet det menneskelige øret oppdager.

Svaret ligger i gravitasjonell potensiell energi. Nettopp fordi pinnen faller fra en viss høyde, der den hadde potensiell energi, når den faller, forvandler den denne energien til kinetisk energi.

Og når den treffer bakken, overføres energien til luftmolekylene som omgir høstens sted, noe som gir opphav til lyden..

Gravitasjonspotensial energi ELLER Det er:

U = mgh

Hvor m er pinnens masse, g er akselerasjonen av tyngdekraften og h er høyden den falt fra. Ved å erstatte disse numeriske verdiene, men ikke før du gjør de tilsvarende konverteringene i det internasjonale systemet for enheter, har vi:

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

Uttalelsen sier at av denne energien er bare 0,05% transformert for å gi opphav til lydpulsen, det vil si flimring av pinnen når den treffer gulvet. Derfor er lydenergien:

OG_lyd= 4,9 x 10^-7 J

Fra intensitetsligningen løser vi radien R og lydenergiverdiene E er erstattet_lyd og tiden pulsen varte: 0,1 s ifølge uttalelsen.

Derfor er den maksimale avstanden som pinnefallet vil være hørbart 6,24 m i alle retninger..

Referanser

1. Giancoli, D. 2006. Fysikk: prinsipper med applikasjoner. Sjette utgave. Prentice Hall. 332 - 359.
2. Kinsler, L. (2000). Grunnleggende om akustisk. 4. utgave Wiley & Sons. 124-125.