Lydenergikarakteristika, typer, anvendelser, fordele, eksempler

Det lydenergi eller akustisk er en, der transporterer lydbølger, når de formerer 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 har ansvaret for deres fortolkning..

Vibrationerne forårsager successive kompressioner og udvidelser i luften eller mediet, der omgiver kilden, som forplantes med en vis hastighed. Det er ikke partiklerne, der bevæger sig, men de er begrænset til at svinge med hensyn til deres ligevægtsposition. Forstyrrelse er det, der transmitteres.

Nu, som det er kendt, har genstande, 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 iboende har, kendt som potentiel energi.

Artikelindeks

• 1 Funktioner
  • 1.1 Beregning af den potentielle energi
  • 1.2 Støjen
• 2 anvendelser
  • 2.1 Nogle anvendelser af akustisk energi
• 3 fordele
• 4 Ulemper
  • 4.1 Lydabsorption i materialer
• 5 Eksempler på lydenergi
  • 5.1 Øvelse løst
• 6 Referencer

Egenskaber

Som det er kendt, har genstande, der bevæger sig, energi. Ligeledes bærer bølgerne, når de bevæger sig i mediet, energien forbundet med bevægelsen af ​​partiklerne (kinetisk energi) og også deformationsenergien i mediet eller potentiel energi.

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

K = ½ mu^to

Partiklen har også potentiel energi ELLER hvilket afhænger af den lydstyrkeændring, den oplever, er Vo den oprindelige lydstyrke, V det endelige bind og s tryk, som afhænger af position og tid:

Det negative tegn indikerer en stigning i potentiel energi, da bølgespredningen virker på volumenelementet dV ved komprimering takket være et positivt lydtryk.

Væskeelementets masse i form af den oprindelige tæthed ρ_eller og startvolumen V_eller det er:

m_eller= ρ_ellerV_eller

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

ρV = ρ_ellerV_eller = konstant

Derfor er den samlede energi sådan:

Beregning af potentiel energi

Integralet kan løses ved hjælp af princippet om bevarelse af masse

m_eller = m_F

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

dV = (-V / ρ) dρ

Isaac Newton fastslog, at:

(dp / dρ) = c^to

Hvor c repræsenterer lydhastigheden i den pågældende væske. Ved at erstatte ovenstående i integralet opnås mediets potentielle energi:

Ja A_s allerede_v er henholdsvis trykbølgens og hastighedens amplituder, lydbølgens gennemsnitlige energi ε er:

Lyd kan karakteriseres ved en kaldet mængde intensitet.

Intensiteten af ​​lyd defineres som den energi, der passerer i et sekund gennem overfladenheden, der er vinkelret på lydens udbredelsesretning.

Da energi pr. Tidsenhed er strøm P, lydens intensitet jeg kan udtrykkes som:

Hver type lydbølge har en karakteristisk frekvens og bærer en vis energi. Alt dette bestemmer dets akustiske opførsel. Da lyd er så vigtig for menneskelivet, klassificeres lydtyperne i tre store grupper efter frekvensområdet, der er hørbart for mennesker:

- Infralyd, 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. Lavere frekvenser fortolkes som baslyde, mellem 20 og 400 Hz.

Frekvenser mellem 400 og 1600 Hz betragtes som mellemtoner, mens højder varierer fra 1600 til 20.000 Hz. Højtliggende lyde er lette og gennemtrængende, mens bas opfattes som dybere og blomstrende..

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

Lyd har andre kvaliteter end frekvens, som kan tjene som kriterier for dets klassificering. Eksempler på dem er klangfarve, varighed og intensitet.

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.

- Svingende støj.

- Impulsiv støj.

Eller efter farver, knyttet til deres frekvens:

- Lyserød støj (ligner en “shhhhhh”).

- Hvid støj (ligner en “psssssss”).

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

Ansøgninger

Anvendelsen af ​​akustisk energi afhænger af typen af ​​anvendt lydbølge. I området med 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 den kilde, der udsender det. På denne måde er mangfoldigheden 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 lydens energi til at lokalisere sig 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 afstandene.

Mennesker mangler de nødvendige organer til at udnytte lydenergi på denne måde. De har dog oprettet orienteringsenheder som ekkolod, 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 menneskekroppen. De er også en del af behandlingen af ​​visse tilstande som lumbago og senebetændelse.

Nogle anvendelser af akustisk energi

- Med højenergi-ultralyd kan sten eller sten, der dannes i nyrerne og galdeblæren på grund af udfældningen af ​​mineralsalte i disse organer, ødelægges..

- I geofysik bruges ultralyd som efterforskningsmetoder. Dens principper svarer til de seismiske metoder. De kan bruges i applikationer lige fra bestemmelse af havets form til lindring til beregning af elastiske moduler.

- I fødevareteknologi bruges de til at eliminere mikroorganismer, der er resistente over for høje temperaturer, samt til at forbedre nogle teksturer og kvaliteter af mad.

Fordel

Akustisk energi har fordele, der hovedsageligt skyldes dets begrænsede rækkevidde. For eksempel er det billigt at producere og genererer ikke kemisk eller andet affald, da det spredes hurtigt i mediet.

Hvad angår kilderne til akustisk energi, er de mange. Ethvert objekt, der er i stand til at vibrere, kan blive en lydkilde.

Når det anvendes i medicinske applikationer, såsom ultralydsbilleddannelse, 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. Udstyr er også billigere.

Ligeledes er ultralydsenergi en ikke-invasiv metode til at eliminere de ovennævnte nyre- og galdesten og derved undgå kirurgiske procedurer..

I princippet genererer det ikke forurening hverken i luften eller i vandet. Men det vides, at der er støjforurening i havene på grund af menneskelige aktiviteter såsom intensivt fiskeri, geofysisk efterforskning og transport..

Ulemper

Det er svært at tænke over de ulemper, som et naturligt fænomen som lyd kan have.

Et af de få er, at høje lyde kan beskadige trommehinden i trommehinden og forårsage konstant udsatte mennesker til at miste deres følelse over tid..

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

Dette skyldes, at lyd altid kræver eksistensen af ​​et medium for at være i stand til at udbrede sig, og derfor dæmpes det let. Det vil sige, at lydenergi absorberes hurtigere i mediet end andre bølger, f.eks. Elektromagnetisk.

Af denne grund er energien fra lydbølger relativt kort rækkevidde i luft. Lyd absorberes af strukturer og genstande, når den formerer sig, og dens energi forsvinder gradvist i varme..

Selvfølgelig er dette relateret til energibesparelse: energi ødelægges ikke, men ændrer form. Vibrationerne af molekylerne i luften omdannes ikke kun til trykændringer, der giver lyd. Vibrationer giver også varme.

Lydabsorption i materialer

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

Lydbølger kan således reflekteres på samme måde som lyset gør. Refleksionen af ​​lyd er kendt som "ekko." Jo mere stiv og ensartet overfladen er, jo større er reflektionsevnen..

Faktisk er der overflader, der er i stand til at producere flere reflektioner kaldet efterklang. Normalt sker dette i små rum og undgås ved at placere isoleringsmateriale, således at de udsendte og reflekterede bølger på denne måde ikke overlapper hinanden, hvilket gør det svært at høre..

Under al udbredelse vil den akustiske bølge opleve alle disse successive tab, indtil endelig energien absorberes fuldstændigt i mediet. Hvilket betyder, at det er blevet omdannet til varmeenergi.

Der er en størrelse til at kvantificere et materiales evne til at absorbere lyd. Det kaldes absorptionskoefficienten. Det betegnes som α, og er forholdet mellem absorberet energi OG_abs og hændelsesenergi OG_{inkl. moms}, alle henviser til det pågældende materiale. Det udtrykkes matematisk således:

α = E_abs/OG_{inkl. moms}

Den maksimale værdi af α er 1 (absorberer lyd fuldstændigt) og minimumet er 0 (slipper al lyd igennem).

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

Eksempler på lydenergi

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

Træning løst

En nål med en masse på 0,1 g falder fra en højde på 1 m. Hvis vi antager, at 0,05% af dens energi omdannes til en lydpuls med en varighed på 0,1 s, estimer du den maksimale afstand, hvorved pinfaldet kan høres. Tag den mindste hørbare lydintensitet 10^-8 W / m^to.

Opløsning

Ovenstående ligning vil blive brugt til lydens intensitet:

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

Svaret ligger i tyngdepotentialenergi. 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 faldets sted, hvilket giver anledning til lyden..

Gravitationspotentiale energi ELLER det er:

U = mgh

Hvor m er massen af ​​stiften, g er tyngdeacceleration og h er den højde, hvorfra den faldt. Ved at erstatte disse numeriske værdier, men ikke før du foretager de tilsvarende konverteringer i det internationale system af enheder, har vi:

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

Erklæringen siger, at af denne energi transformeres kun 0,05% til at give anledning til lydimpulsen, det vil sige, at pinken klirrer, når den rammer gulvet. Derfor er lydenergien:

OG_lyd= 4,9 x 10^-7 J

Fra intensitetsligningen løser vi radius R og lydenergiværdierne E erstattes_lyd og tidspunktet, hvor pulsen varede: 0,1 s ifølge erklæringen.

Derfor er den maksimale afstand, hvormed 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 & Sons. 124-125.