GARSO ENERGIJA: CHARAKTERISTIKOS, TIPAI, PANAUDOJIMAS, PRANAŠUMAI, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Garso energija arba akustinė kad veža garso bangas, nes jie propaguoja terpėje, kuris gali būti dujų, pavyzdžiui, oro, skystas arba kietas. Žmonės ir daugelis gyvūnų, norėdami sąveikauti su aplinka, naudoja akustinę energiją.

Tam jie turi specialius organus, pavyzdžiui, balso stygas, galinčius sukelti vibracijas. Šios vibracijos yra perduodamos ore, kad pasiektų kitus specializuotus organus, atsakingus už jų aiškinimą.

Akustinė energija į muziką perteikiama per klarneto garsą. Šaltinis: „Pixabay“

Vibracija sukelia nuoseklų suspaudimą ir išsiplėtimą ore ar terpėje, supančioje šaltinį, kurie sklinda tam tikru greičiu. Keliauja ne dalelės, bet jos tiesiog svyruoja pusiausvyros padėties atžvilgiu. Trukdymas yra tai, kas perduodama.

Dabar, kaip žinoma, judantys objektai turi energijos. Taigi bangos, keliaudamos terpėje, taip pat neša energiją, susijusią su dalelių judėjimu (kinetinė energija), taip pat energiją, kurią ši terpė iš esmės turi, vadinamą potencialia energija.

charakteristikos

Kaip žinoma, judantys objektai turi energijos. Taip pat bangos, keliaudamos terpėje, neša energiją, susijusią su dalelių judėjimu (kinetinė energija), taip pat terpės deformacijos energiją arba potencialią energiją.

Darant prielaidą, kad labai maža terpės dalis, kuri gali būti oras, kiekvienos dalelės, kurių greitis yra u, turi kinetinę energiją K, gautą:

Be to, dalelė turi potencialią energiją U, kuri priklauso nuo jos patiriamo tūrio pokyčio, kur Vo yra pradinis tūris, V yra galutinis tūris ir p yra slėgis, kuris priklauso nuo padėties ir laiko:

Neigiamas ženklas rodo potencialios energijos padidėjimą, nes skleidžiama banga dėl teigiamo akustinio slėgio veikia tūrio elementą dV, kai jį suspaudžia.

Skysčio elemento masė, išreikšta pradiniu tankiu ρ _o ir pradiniu tūriu V _o yra:

Kaip išsaugoma masė (masės išsaugojimo principas):

Taigi visa energija yra tokia:

Skaičiuojama potenciali energija

Integralas gali būti išspręstas naudojant masės išsaugojimo principą

Konstantos išvestinė yra 0, taigi (ρ V) '= 0. Todėl:

Isaacas Newtonas nustatė, kad:

(dp / dρ) = c ²

Kur c reiškia garso greitį nagrinėjamame skystyje. Pakeitus aukščiau pateiktą integrale, gaunama terpės potenciali energija:

Jei A _p ir A _v yra atitinkamai slėgio bangos ir greičio amplitudės, garso bangos vidutinė energija ε yra:

Garsą galima apibūdinti tokiu kiekiu, kuris vadinamas intensyvumu.

Garso intensyvumas apibrėžiamas kaip energija, kuri per vieną sekundę praeina per vieneto plotą, statmeną garso sklidimo krypčiai.

Kadangi laiko vieneto energija yra galia P, garso I stiprumą galima išreikšti taip:

Kiekvienas garso bangų tipas turi būdingą dažnį ir neša tam tikrą energiją. Visa tai lemia jo akustinį elgesį. Kadangi garsas yra toks svarbus žmogaus gyvenimui, garsai yra suskirstyti į tris dideles grupes pagal žmonėms girdimų dažnių diapazoną:

- Infragarsas, kurio dažnis mažesnis kaip 20 Hz.

- girdimasis spektras, kurio dažnis svyruoja nuo 20 Hz iki 20 000 Hz.

- Ultragarsas, kurio dažnis didesnis kaip 20000 Hz.

Garso, ty ar jis yra aukštas, žemas, ar vidutinis, garsas priklauso nuo dažnio. Žemieji dažniai interpretuojami kaip bosiniai garsai, maždaug tarp 20 ir 400 Hz.

Dažniai nuo 400 iki 1600 Hz laikomi vidutinėmis tonomis, o aukščiausias diapazonas yra nuo 1600 iki 20 000 Hz. Aukšto garso garsai yra lengvi ir pradurti, tuo tarpu bosai suvokiami kaip gilesni ir klesti.

Kasdien girdimi garsai yra sudėtingas garsų perdangos perdangos dažnis.

Garsas turi ne tik dažnį, bet ir kitas savybes, kurios gali būti naudojami kaip jo klasifikavimo kriterijus. Jų pavyzdžiai yra tembras, trukmė ir intensyvumas.

Ekvalaizerį sudaro filtrai, kurie pašalina triukšmą ir padidina tam tikrus dažnius, kad pagerintų garso kokybę. Šaltinis: „Pixabay“.

Triukšmas

Taip pat svarbu atskirti norimus garsus nuo nepageidaujamų garsų ar triukšmo. Kadangi triukšmą visada stengiamasi pašalinti, jis klasifikuojamas pagal intensyvumą ir periodą:

- nuolatinis triukšmas.

- svyruojantis triukšmas.

- impulsinis triukšmas.

Arba pagal spalvas, susietas su jų dažniu:

- rausvas triukšmas (panašus į „shhhhhh“).

- Baltasis triukšmas (panašus į „psssssss“).

- Rudasis triukšmas (Roberto Brauno, Browno judesio atradėjas, yra triukšmas, kuris labai palaiko žemus dažnius).

Programos

Akustinės energijos panaudojimas priklauso nuo naudojamos garso bangos tipo. Garsinių bangų diapazone universalus garso naudojimas yra toks, kad būtų galima glaudžiai bendrauti ne tik tarp žmonių, nes gyvūnai taip pat bendrauja skleidžiant garsus.

Garsai yra universalūs. Kiekvienas skiriasi priklausomai nuo šaltinio, kuris jį skleidžia. Tokiu būdu gamtoje esančių garsų įvairovė yra begalinė: kiekvieno žmogaus balsas yra skirtingas, taip pat būdingi garsai, kuriuos gyvūnų rūšys naudoja bendraudami vieni su kitais.

Daugelis gyvūnų naudoja garso energiją norėdami atsidurti erdvėje ir sugauti savo grobį. Jie skleidžia garsinius signalus ir turi receptorinius organus, kurie analizuoja atspindėtus signalus. Tokiu būdu jie gauna informaciją apie atstumus.

Žmonėms trūksta organų, reikalingų tokiu būdu naudoti garso energiją. Tačiau jie, remdamiesi tais pačiais principais, sukūrė orientacijos prietaisus, tokius kaip sonarą, kad palengvintų navigaciją.

Kita vertus, ultragarsas yra garso bangos, kurių taikymas yra gerai žinomas. Medicinoje jie naudojami gaunant žmogaus kūno vidų. Jie taip pat yra kai kurių ligų, tokių kaip lumbago ir tendinitas, gydymo dalis.

Kai kurie akustinės energijos pritaikymai

- Taikant daug energijos reikalaujantį ultragarsą, inkstuose ir tulžies pūslėje susidarę akmenys ar akmenys gali būti sunaikinti dėl mineralinių druskų nuosėdų susidarymo šiuose organuose.

- Geofizikoje ultragarsas naudojamas kaip žvalgymo metodas. Jos principai yra panašūs į seisminių metodų principus. Jie gali būti naudojami nuo vandenyno formos nustatymo iki reljefo iki elastinių modulių apskaičiavimo.

- Maisto technologijoje jie naudojami norint pašalinti mikroorganizmus, atsparius aukštai temperatūrai, taip pat pagerinti kai kurias maisto tekstūras ir savybes.

Privalumas

Akustinė energija turi pranašumų, kuriuos daugiausia lemia jos nedidelis diapazonas. Pvz., Nebrangu gaminti ir nesusidaro cheminių ar kitų atliekų, nes jos greitai pasiskirsto terpėje.

Akustinės energijos šaltinių yra daugybė. Bet kuris objektas, galintis vibruoti, gali tapti garso šaltiniu.

Kai jis naudojamas medicinos tikslams, pavyzdžiui, ultragarsiniam vaizdavimui, jis turi nenaudojant jonizuojančiosios spinduliuotės, pavyzdžiui, rentgeno ar tomografijos. Akivaizdu, kad jonizuojanti radiacija gali pažeisti ląsteles.

Jam naudoti nereikia apsaugos priemonių, kurių reikia naudojant jonizuojančiąją spinduliuotę. Komplektai taip pat yra pigesni.

Taip pat ultragarso energija yra neinvazinis metodas pašalinti minėtus inkstus ir tulžies akmenis, taip išvengiant chirurginių procedūrų.

Iš esmės jis nesukelia taršos nei ore, nei vandenyje. Bet žinoma, kad jūrose yra triukšmo tarša, kurią sukelia žmogaus veikla, tokia kaip intensyvi žvejyba, geofizinė žvalgyba ir gabenimas.

Trūkumai

Sunku galvoti apie trūkumus, kuriuos gali turėti toks natūralus reiškinys kaip garsas.

Viena iš nedaugelio yra ta, kad garsūs garsai gali pažeisti ausies bambos struktūrą ir laikui bėgant nuolatos veikiami žmonės praranda jutimą.

Dėl labai triukšmingos aplinkos žmonės sukelia stresą ir diskomfortą. Kitas trūkumas yra galbūt tai, kad akustinė energija nenaudojama daiktams judėti, todėl labai sunku pasinaudoti vibracija, norint paveikti kietus objektus.

Taip yra todėl, kad garsui skleisti visada reikalinga terpė, todėl ji yra lengvai slopinama. Kitaip tariant, garso energija terpėje absorbuojama greičiau nei kitų tipų bangose, pavyzdžiui, elektromagnetinėse.

Dėl šios priežasties garso bangų energija ore yra gana maža. Garsą skleidžia struktūros ir objektai, o jo energija pamažu išsisklaido į šilumą.

Žinoma, tai susiję su energijos taupymu: energija nėra sunaikinama, bet keičiasi forma. Ore esančių molekulių virpesiai ne tik virsta slėgio pokyčiais, kurie sukelia garsą. Vibracija taip pat sukelia šilumą.

Garso sugertis medžiagose

Kai garso bangos, pavyzdžiui, atsitrenkia į plytų sieną, dalis energijos atsispindi. Kita dalis išsisklaido šilumoje dėl oro ir medžiagos molekulinės vibracijos; ir galiausiai likusi frakcija praeina per medžiagą.

Taigi garso bangos gali atsispindėti taip pat, kaip ir šviesa. Garso atspindys yra žinomas kaip „echo“. Kuo tvirtesnis ir vienodesnis paviršius, tuo didesnė galimybė atspindėti.

Tiesą sakant, yra paviršių, galinčių sukelti daugybę atspindžių, vadinamų reverberacija. Paprastai tai įvyksta mažose erdvėse ir to išvengiama dedant izoliacinę medžiagą, kad tokiu būdu skleidžiamos ir atspindėtos bangos nepersidengtų, apsunkindamos klausą.

Per visą sklidimą akustinė banga patirs visus šiuos iš eilės nuostolius, kol galiausiai energija bus visiškai absorbuota terpėje. Tai reiškia, kad jis buvo paverstas šilumos energija.

Medžiagos gebėjimas sugerti garsą yra kiekybinis. Jis vadinamas absorbcijos koeficientu. Jis žymimas kaip α ir yra santykis tarp sugertos energijos E _abs ir krintančios energijos E _inc , visos nurodytos nagrinėjamai medžiagai. Tai išreiškiama matematiškai taip:

α = E _abs / E _įsk

Didžiausia α reikšmė yra 1 (visiškai sugeria garsą), o mažiausia - 0 (leidžia visą garsą sklisti).

Garsas gali būti trūkumas daugeliu atvejų, kai pirmenybė teikiama tylai. Pavyzdžiui, automobiliuose sumontuoti duslintuvai, kurie slopina variklio triukšmą. Į kitus įrenginius, tokius kaip vandens siurbliai ir elektrinės, taip pat.

Garso izoliacija yra svarbi įrašų studijoje. Šaltinis: „Pixabay“.

Garsinės energijos pavyzdžiai

Garso energija yra visur. Čia yra paprastas pavyzdys, iliustruojantis garso ir jo energijos savybes kiekybiniu požiūriu.

Pratimas išspręstas

0,1 g masės smeigtukas nukrenta iš 1m aukščio. Darant prielaidą, kad 0,05% jo energijos virsta 0,1 s trukmės garso impulsu, įvertinkite maksimalų atstumą, per kurį gali būti girdimas kaiščio kritimas. Paimkite mažiausiai ^10–8 W / m ² garso garsą .

Sprendimas

Aukščiau pateikta lygtis bus naudojama garso stiprumui:

Geras klausimas, iš kur šiuo atveju sklinda garso energija, kurio intensyvumą nustato žmogaus ausis.

Atsakymas yra potencialioje gravitacinėje energijoje. Būtent todėl, kad kaištis nukrenta iš tam tikro aukščio, kuriame jis turėjo potencialią energiją, nes nukritęs jis šią energiją paverčia kinetine energija.

Kai jis atsitrenkia į žemę, energija perduodama oro molekulėms, supančioms avarijos vietą, sukuriant garsą.

Gravitacinė potenciali energija U yra:

Kur m yra kaiščio masė, g yra gravitacijos pagreitis, o h yra aukštis, nuo kurio jis nukrito. Pakeisdami šias skaitines reikšmes, bet ne prieš atlikdami atitinkamas konversijas Tarptautinėje vienetų sistemoje, turime:

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

Pareiškime teigiama, kad tik 0,05% šios energijos virsta garso impulsu, ty kaiščio suspaudimu, kai jis atsitrenkia į grindis. Taigi garso energija yra:

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

Iš intensyvumo lygtį, spindulys R yra vartų ir garso energijos E vertės _garso ir laikas, kad impulso truko yra pakeistas : 0,1 -ai pagal pareiškimo.

Todėl didžiausias atstumas, per kurį bus girdimas kaiščio kritimas, yra 6,24 m į visas puses.

Nuorodos

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. Šeštasis leidimas. Prentice salė. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Akustikos pagrindai. 4-asis redaktorius Wiley & Sons. 124–125.