LYDENERGI: EGENSKAPER, TYPER, BRUK, FORDELER, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den lydenergi eller akustiske som bærer de lydbølger som de forplanter seg i et medium, som kan være en gass slik som luft, en væske eller et fast stoff. Mennesker og mange dyr bruker akustisk energi for å samhandle med miljøet.

For dette har de spesialiserte organer, for eksempel stemmebåndene, som er i stand til å produsere vibrasjoner. Disse vibrasjonene blir transportert i luften for å nå andre spesialiserte organer som har ansvar for deres tolkning.

Akustisk energi blir oversatt til musikk gjennom lyden av klarinetten. Kilde: Pixabay

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 bare svinger i forhold til deres likevektsposisjon. Forstyrrelsen er det som overføres.

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

kjennetegn

Som kjent har objekter som beveger seg energi. På samme måte bærer bølgene når de ferdes i mediet, med seg energien assosiert 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, har hver partikkel med hastighet u kinetisk energi K gitt av:

Videre har partikkelen potensiell energi U som avhenger av volumendringen den opplever, hvor Vo er det første volumet, V er det endelige volumet og p er trykket, som avhenger av posisjon og tid:

Det negative tegnet indikerer en økning i potensiell energi, siden forplantningsbølgen virker på volumelementet dV når den komprimeres, takket være et positivt akustisk trykk.

Massen av fluidelement i form av den opprinnelige tetthet ρ _o og det opprinnelige volum V _o er:

Og hvordan massen er bevart (prinsippet om bevaring av masse):

Derfor er den totale energien slik:

Beregner potensiell energi

Integralet kan løses ved å bruke prinsippet om bevaring av masse

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

Isaac Newton bestemte at:

(dp / dρ) = c ²

Hvor c representerer lydens hastighet i den aktuelle væsken. Ved å erstatte ovennevnte i integralen, oppnås mediet potensiell energi:

Hvis A _p og A _v er amplituden til henholdsvis trykkbølgen og hastigheten, er gjennomsnittlig energi ε til lydbølgen:

Lyd kan karakteriseres av en mengde som kalles intensitet.

Lydens intensitet er definert som energien som går på ett sekund gjennom enhetsområdet som er vinkelrett på retningen på lydutbredelsen.

Siden energien per tidsenhet er kraften P, kan lydintensiteten jeg uttrykkes som:

Hver type lydbølge har en karakteristisk frekvens og bærer en viss energi. Alt dette avgjør dens akustiske oppførsel. Siden lyd er så viktig for menneskers liv, klassifiseres lydene i tre store grupper, i henhold til frekvensområdet som høres for mennesker:

- Infrasound, 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.

Tonehøyden til en lyd, det vil si om den er høy, lav eller middels, avhenger av frekvensen. De lavere frekvensene 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. Høyhøyde lyder er lette og gjennomstikkende, mens bass oppleves som dypere og blomstrende.

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

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

Utjevneren består av filtre som fjerner støy og øker bestemte frekvenser for å forbedre lydkvaliteten. Kilde: Pixabay.

Bråk

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

- Kontinuerlig støy.

- Svingende støy.

- Impulsiv støy.

Eller etter farger, knyttet til frekvensen deres:

- Rosa støy (ligner på en "shhhhhh").

- Hvit støy (ligner på en "psssssss").

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

applikasjoner

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

Lydene er allsidige. Hver av dem er avhengig av kilden som avgir den. På denne måten er mangfoldet av lyder i naturen uendelig: hver menneskelig stemme er forskjellig, så vel som de karakteristiske lydene som dyrearter bruker for å kommunisere med hverandre.

Mange dyr bruker energien fra lyd for å lokalisere seg selv i verdensrommet og også for å fange byttet sitt. De avgir akustiske signaler og har reseptororganer som analyserer de reflekterte signalene. På denne måten får de informasjon om avstander.

Mennesker mangler organene som er nødvendige for å bruke sonisk energi 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 bruksområder er godt kjent. 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 steiner eller beregninger som dannes i nyrene og galleblæren ødelegges på grunn av nedbør av mineralsalter i disse organene.

- I geofysikk brukes ultralyd som prospekteringsmetoder. Prinsippene ligner på seismiske metoder. De kan brukes i applikasjoner som spenner fra å bestemme formen på havet til lettelse til beregning av elastiske moduler.

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

Fordel

Akustisk energi har fordeler som i stor grad skyldes dens korte rekkevidde. For eksempel er det billig å produsere og genererer ikke 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 kilde til lyd.

Når den brukes i medisinske applikasjoner, for eksempel avbildning av ultralyd, har den fordelen av å ikke bruke ioniserende stråling, for eksempel røntgenstråler 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. Settene er også billigere.

På samme måte er ultralydenergi en ikke-invasiv metode for å eliminere nevnte nyre og gallestein, og dermed unngå kirurgiske inngrep.

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

ulemper

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

Et av få er at høye lyder kan skade strukturen i trommehinnen, og over tid få kontinuerlig utsatte mennesker til å miste sensasjonen.

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

Dette er fordi lyd alltid krever at et medium kan eksistere, og at det derfor lett dempes. Med andre ord absorberes lydenergi raskere i mediet enn andre bølgetyper, for eksempel elektromagnetiske.

Av denne grunn er energien fra lydbølger relativt kort avstand i luften. Lyd absorberes av strukturer og gjenstander når den forplanter seg, og energien går gradvis ut i varme.

Dette er selvfølgelig relatert til bevaring av energi: energi blir ikke ødelagt, men endrer form. Vibrasjonene til molekylene i luften omdannes ikke bare til trykkendringer som gir opphav til lyd. Vibrasjoner gir også varme.

Lydabsorpsjon i materialer

Når lydbølger treffer et materiale som en murvegg, reflekteres en del av energien. En annen del avledes i varme, takket være molekylvibrasjonen i både luften og materialet; og til slutt passerer den gjenværende fraksjonen gjennom materialet.

Dermed kan lydbølger reflekteres på samme måte som lyset gjør. Refleksjonen av lyd er kjent som "ekko". Jo mer stiv og jevn overflate, jo større refleksjonsevne.

Det er faktisk overflater som er i stand til å produsere flere refleksjoner som kalles etterklang. Vanligvis skjer dette i små rom og unngås ved å plassere isolerende materiale, slik at de utsendte og reflekterte bølgene på denne måten ikke overlapper hverandre, noe som gjør hørselen vanskelig.

Under all dens utbredelse vil den akustiske bølgen oppleve alle disse påfølgende tapene til endelig energien er fullstendig absorbert i mediet. Noe som betyr at den er blitt omgjort til varmeenergi.

Det er en styrke å kvantifisere et materials evne til å absorbere lyd. Det kalles absorpsjonskoeffisient. Det er betegnet som α, og det er forholdet mellom den absorberte energien E _abs og hendelsesenergien E _inc , alt referert til det aktuelle materialet. Det kommer til uttrykk matematisk slik:

α = E _abs / E _inc

Maksimumsverdien på α er 1 (absorberer lyden helt) og minimum er 0 (lar all lyd gjennom).

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

Lydisolering er viktig i et innspillingsstudio. Kilde: Pixabay.

Eksempler på lydenergi

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

Trening løst

En tapp med masse 0,1 g faller fra en høyde på 1m. Forutsatt at 0,05% av energien blir konvertert til en lydpuls på 0,1 s varighet, estimer du den maksimale avstanden som tappedråpet kan høres på. Ta minst mulig hørbar lydintensitet ^10-8 W / m ² .

Løsning

Ligningen gitt ovenfor vil bli brukt for lydens intensitet:

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

Svaret er i gravitasjonspotensiell energi. Nettopp fordi tappen faller fra en viss høyde, hvor den hadde potensiell energi, mens den faller, transformerer den denne energien til kinetisk energi.

Og når den først treffer bakken, overføres energien til luftmolekylene rundt krasjstedet, noe som gir opphav til lyden.

Gravitasjonspotensialenergien U er:

Der m er tappenes masse, er g tyngdekrakselen, og h er høyden den falt fra. Ved å erstatte disse tallverdiene, men ikke før du foretar de tilsvarende konverteringene i det internasjonale enhetssystemet, har vi:

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

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

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

Fra intensitetslikningen blir radien R tømt og verdiene for lydenergien E _lyd og tiden som pulsen varte erstattes : 0,1 s i følge utsagnet.

Derfor er den maksimale avstanden som tappefaldet blir hørbar på 6,24 m i alle retninger.

referanser

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette utgave. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Grunnleggende om akustisk. 4. utg. Wiley & Sons. 124-125.