The zvuková energie nebo akustický je ten, který přenáší zvukové vlny, když se šíří v médiu, kterým může být plyn, jako je vzduch, kapalina nebo pevná látka. 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 ve vzduchu k dosažení dalších specializovaných orgánů odpovědných za jejich interpretaci..
Vibrace způsobují po sobě následující komprese a expanze ve vzduchu nebo médiu obklopujícím zdroj, které se šíří určitou rychlostí. Nejsou to částice, které cestují, ale jsou omezeny na kmitání vzhledem k jejich rovnovážné poloze. Porucha je to, co se přenáší.
Nyní, jak je dobře známo, objekty, které se pohybují, mají energii. Vlny, které se pohybují v médiu, tedy také nesou energii spojenou s pohybem částic (kinetickou energii) a také energii, kterou dané médium skutečně vlastní, známou jako potenciální energie.
Rejstřík článků
Jak je známo, objekty, které se pohybují, mají energii. Stejně tak 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 velmi malé části média, kterým může být vzduch, každá částice má rychlost nebo, má kinetickou energii K. dána:
K = ½ mudva
Částice má také potenciální energii NEBO což závisí na změně objemu, kterou zažívá Vo počáteční objem, PROTI konečný objem a p tlak, který závisí na poloze a čase:
Záporné znaménko označuje nárůst potenciální energie, protože šíření vln funguje na objemovém prvku dV při komprimaci díky pozitivnímu akustickému tlaku.
Hmotnost prvku tekutiny z hlediska počáteční hustoty ρnebo a počáteční objem PROTInebo to je:
mnebo= ρneboPROTInebo
A jak se hmota zachovává (princip zachování hmoty):
ρV = ρneboPROTInebo = konstantní
Celková energie je tedy taková:
Integrál lze vyřešit pomocí principu zachování hmoty
mnebo = mF
Derivace konstanty je 0, takže (ρV) ' = 0. Proto:
dV = (-V / ρ) dρ
Isaac Newton rozhodl, že:
(dp / dρ) = cdva
Kde C představuje rychlost zvuku v dané kapalině. Nahrazením výše uvedeného v integrálu se získá potenciální energie média:
pdp=%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cleft&space;(%5Cfrac%7BV%7D%7B%5Crho&space;c%5E%7B2%7D%7D&space;%5Cright&space;)p%5E%7B2%7D)
Anop jižproti jsou amplitudy tlakové vlny a rychlosti, průměrná energie ε zvukové vlny je:
Zvuk lze charakterizovat volanou veličinou intenzita.
Intenzita zvuku je definována jako energie, která prochází za jednu sekundu jednotkou povrchu, která je kolmá ke směru šíření zvuku.
Protože energie za jednotku času je síla P, intenzita zvuku Já lze 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, typy zvuků se dělí do tří velkých skupin podle rozsahu frekvencí slyšitelných pro člověka:
- Infrazvuk, jehož frekvence je menší než 20 Hz.
- Akustické spektrum s frekvencemi od 20 Hz do 20 000 Hz.
- Ultrazvuk s frekvencemi vyššími než 20 000 Hz.
Výška tónu zvuku, to znamená, zda je vysoký, nízký nebo střední, závisí na frekvenci. Nižší frekvence jsou interpretovány jako basové zvuky, přibližně mezi 20 a 400 Hz.
Frekvence mezi 400 a 1 600 Hz jsou považovány za střední tóny, zatímco výšky se pohybují od 1 600 do 20 000 Hz. Vysoké zvuky jsou lehké a pronikavé, zatímco basy jsou vnímány jako hlubší a dunivé..
Zvuky, které slyšíte každý den, jsou komplexní překrytí zvuků s různými frekvencemi v těsné blízkosti..
Zvuk má jiné než frekvenční vlastnosti, které mohou sloužit jako kritéria pro jeho klasifikaci. Příkladem je zabarvení, trvání a intenzita.
Je také důležité rozlišovat mezi požadovanými 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.
- Impulzivní hluk.
Nebo podle barev, spojené s jejich frekvencí:
- Růžový šum (podobný „šššššš”).
- Bílý šum (podobný „psssssss”).
- Brownův hluk (Robert Brown, objevitel Brownova pohybu, je hluk, který výrazně upřednostňuje nízké frekvence).
Využití akustické energie závisí na typu použité zvukové vlny. V rozsahu zvukových vln je univerzálním použitím zvuku umožnění úzké komunikace nejen mezi lidmi, protože zvířata komunikují také vydáváním zvuků.
Zvuky jsou všestranné. Každý se liší podle zdroje, který jej vysílá. Tímto způsobem je rozmanitost zvuků v přírodě nekonečná: každý lidský hlas je jiný, stejně jako charakteristické zvuky, které druhy zvířat používají ke vzájemné komunikaci..
Mnoho zvířat využívá energii zvuku k umístění ve vesmíru a také k zachycení své kořisti. Vydávají akustické signály a mají receptorové orgány, které analyzují odražené signály. Tímto způsobem získávají informace o vzdálenostech.
Lidé postrádají orgány potřebné k využití zvukové energie tímto způsobem. Pro usnadnění navigace však vytvořili orientační zařízení, jako je sonar, založené na stejných principech..
Na druhou stranu, ultrazvuky jsou zvukové vlny, jejichž aplikace jsou dobře známy. V medicíně se používají k získávání snímků vnitřku lidského těla. Jsou také součástí léčby některých stavů, jako je lumbago a tendonitida.
- Pomocí vysokoenergetického ultrazvuku mohou být zničeny kameny nebo kameny, které se tvoří v ledvinách a žlučníku v důsledku srážení minerálních solí v těchto orgánech..
- V geofyzice se jako prospekční metody používá ultrazvuk. Jeho principy jsou podobné principům seismických metod. Mohou být použity v aplikacích od stanovení tvaru oceánu přes reliéf až po výpočet modulů pružnosti.
- V potravinářské technologii se používají k eliminaci mikroorganismů odolných vůči vysokým teplotám a ke zlepšení některých textur a vlastností potravin.
Akustická energie má výhody, které jsou do značné míry způsobeny jejím omezeným dosahem. Například je levné vyrábět a nevytváří chemický ani jiný odpad, protože se rychle disipuje v médiu.
Pokud jde o zdroje akustické energie, je jich mnoho. Zdrojem zvuku se může stát jakýkoli předmět schopný vibrovat.
Když se používá v lékařských aplikacích, jako je ultrazvukové zobrazování, má tu výhodu, že nepoužívá ionizující záření, jako jsou rentgenové paprsky nebo tomografie. Faktem je, že ionizující záření může způsobit poškození buněk.
Jeho použití nevyžaduje ochranná opatření, která jsou nutná při použití ionizujícího záření. Zařízení je také levnější.
Stejně tak je ultrazvuková energie neinvazivní metodou k odstranění výše uvedených ledvin a žlučových kamenů, čímž se zabrání chirurgickým zákrokům..
V zásadě nevytváří znečištění ani ve vzduchu, ani ve vodách. Je však známo, že v mořích dochází ke znečištění hlukem v důsledku lidské činnosti, jako je intenzivní rybolov, geofyzikální průzkum a přeprava..
Je těžké přemýšlet o nevýhodách, které může mít přirozený jev, jako je zvuk.
Jedním z mála je, že hlasité zvuky mohou poškodit strukturu ušního bubínku a způsobit, že neustále exponovaní lidé ztrácejí v průběhu času senzaci..
Velmi hlučné prostředí nakonec způsobí lidem stres a nepohodlí. Další nevýhodou je možná skutečnost, že akustická energie se nepoužívá k pohybu předmětů, takže je velmi obtížné využít vibrací k ovlivnění pevných předmětů..
Je to proto, že zvuk vždy vyžaduje existenci média, aby se mohl šířit, a proto je snadno utlumen. To znamená, že zvuková energie je absorbována v médiu rychleji než u jiných typů vln, například elektromagnetických.
Z tohoto důvodu je energie zvukových vln ve vzduchu relativně krátká. Zvuk je při šíření absorbován strukturami a objekty a jeho energie se postupně rozptyluje do tepla..
Souvisí to samozřejmě s ochranou energie: energie se nezničí, ale mění formu. Vibrace molekul ve vzduchu se transformují nejen na změny tlaku, které způsobují zvuk. Vibrace také vyvolávají teplo.
Když zvukové vlny narazí například na materiál jako cihlová zeď, část energie se odráží. Další část je rozptýlena v teple díky molekulárním vibracím vzduchu i materiálu; a nakonec zbývající frakce prochází materiálem.
Zvukové vlny se tedy mohou odrážet stejným způsobem jako světlo. Odraz zvuku je znám jako „echo“. Čím je povrch pevnější a rovnoměrnější, tím větší je schopnost odrazu..
Ve skutečnosti existují povrchy, které jsou schopné produkovat více odrazů dozvuky. Obvykle k tomu dochází v malých prostorech a je tomu zabráněno umístěním izolačního materiálu, takže tímto způsobem se emitované a odražené vlny nepřekrývají, což ztěžuje slyšení..
Během celého svého šíření akustická vlna zažije všechny tyto po sobě jdoucí ztráty, dokud se energie v médiu úplně neabsorbuje. Což znamená, že se přeměnila na tepelnou energii.
Existuje kvantita pro kvantifikaci schopnosti materiálu absorbovat zvuk. Říká se tomu absorpční koeficient. Označuje se jako α a je poměrem mezi absorbovaná energie Abřišní svaly a dopadající energie Avč, všechny odkazují na dotyčný materiál. Je to vyjádřeno matematicky takto:
α = Ebřišní svaly/Avč
Maximální hodnota α je 1 (zcela pohlcuje zvuk) a minimální 0 (propouští veškerý zvuk).
Zvuk může být nevýhodou při mnoha příležitostech, kdy se dává přednost tichu. Například auta jsou vybavena tlumiči hluku, které tlumí zvuky motoru. K dalším zařízením, jako jsou vodní čerpadla a elektrárny.
Zvuková energie je všude. Zde je jednoduchý příklad, který ilustruje vlastnosti zvuku a jeho energie z kvantitativního hlediska.
Špendlík o hmotnosti 0,1 g spadne z výšky 1 m. Za předpokladu, že 0,05% jeho energie se převede na zvukový pulz o délce 0,1 s, odhadněte maximální vzdálenost, na kterou je slyšet pokles pinů. Vezměte jako minimální zvukovou intenzitu zvuku 10-8 W / mdva.
Pro intenzitu zvuku se použije výše uvedená rovnice:
Dobrá otázka je, odkud v tomto případě pochází zvuková energie, ta, jejíž intenzitu lidské ucho detekuje.
Odpověď spočívá v gravitační potenciální energii. Právě proto, že kolík padá z určité výšky, ve které měl potenciální energii, při pádu transformuje tuto energii na energii kinetickou.
A jakmile dopadne na zem, energie se přenáší na molekuly vzduchu, které obklopují místo pádu, což vede ke vzniku zvuku..
Gravitační potenciální energie NEBO to je:
U = mgh
Kde m je hmotnost čepu, G je gravitační zrychlení a h je výška, ze které spadl. Nahrazením těchto číselných hodnot, ale ne dříve, než provedete 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 se transformuje pouze 0,05%, aby vznikl zvukový puls, tj. Cinkání kolíku, když dopadne na podlahu. Proto je zvuková energie:
Azvuk= 4,9 x 10-7 J
Z rovnice intenzity vyřešíme pro poloměr R a hodnoty zvukové energie E jsou nahrazenyzvuk a čas, kdy puls trval: 0,1 s podle výpisu.
Proto je maximální vzdálenost, na kterou bude slyšet pokles kolíku, 6,24 m ve všech směrech..
Zatím žádné komentáře