ENERGIA SONORĂ: CARACTERISTICI, TIPURI, UTILIZĂRI, AVANTAJE, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Energia sonoră sau acustică care transportă undele sonore pe măsură ce se propagă într-un mediu, care poate fi un gaz precum aerul, un lichid sau un solid. Oamenii și multe animale folosesc energia acustică pentru a interacționa cu mediul.

Pentru aceasta au organe specializate, de exemplu corzile vocale, capabile să producă vibrații. Aceste vibrații sunt transportate în aer pentru a ajunge la alte organe specializate însărcinate cu interpretarea lor.

Energia acustică este tradusă în muzică prin sunetul clarinetului. Sursa: Pixabay

Vibrațiile provoacă compresii și expansiuni succesive în aer sau în mediul care înconjoară sursa, care se propagă cu o anumită viteză. Nu particulele călătoresc, ci ele oscilează pur și simplu în raport cu poziția de echilibru. Tulburarea este ceea ce se transmite.

Acum, după cum se știe, obiectele care se mișcă au energie. Astfel, undele pe măsură ce călătoresc în mediu poartă, de asemenea, energia asociată cu mișcarea particulelor (energia cinetică) și, de asemenea, energia pe care numitul mediu o posedă intrinsec, cunoscută sub numele de energie potențială.

caracteristici

După cum se știe, obiectele care se mișcă au energie. De asemenea, undele pe măsură ce călătoresc în mediu, poartă cu ele energia asociată cu mișcarea particulelor (energia cinetică) și, de asemenea, energia de deformare a mediului sau a energiei potențiale.

Presupunând o porțiune foarte mică de mediu, care poate fi aer, fiecare particulă cu viteza u, are energie cinetică K dată de:

Mai mult, particula are energia potențială U care depinde de modificarea de volum pe care o experimentează, unde Vo este volumul inițial, V este volumul final și p este presiunea, care depinde de poziție și timp:

Semnul negativ indică o creștere a energiei potențiale, deoarece unda de propagare funcționează pe elementul de volum dV la comprimarea acesteia, datorită unei presiuni acustice pozitive.

Masa elementului de fluid din punct de vedere inițial ρ densitatea de _O și inițial volumul V _O este:

Și cum este conservată masa (principiul conservării masei):

Prin urmare, energia totală este astfel:

Calcularea energiei potențiale

Integrala poate fi rezolvată folosind principiul conservării masei

Derivata unei constante este 0, deci (ρ V) '= 0. Prin urmare:

Isaac Newton a stabilit că:

(dp / dρ) = c ²

În cazul în care c reprezintă viteza sunetului în fluidul respectiv. Prin substituția de mai sus în integral, se obține energia potențială a mediului:

Dacă A _p și A _v sunt amplitudinile undei de presiune și respectiv viteza, energia medie ε a undei sonore este:

Sunetul poate fi caracterizat printr-o cantitate numită intensitate.

Intensitatea sunetului este definită ca energia care trece într-o secundă prin zona unității care este perpendiculară pe direcția de propagare a sunetului.

Deoarece energia pe unitate de timp este puterea P, intensitatea sunetului I poate fi exprimată astfel:

Fiecare tip de undă sonoră are o frecvență caracteristică și poartă o anumită energie. Toate acestea îi determină comportamentul acustic. Deoarece sunetul este atât de important pentru viața umană, tipurile de sunete sunt clasificate în trei grupe mari, în funcție de gama de frecvențe audibile pentru oameni:

- Infrasunete, a cărei frecvență este mai mică de 20 Hz.

- Spectru audibil, cu frecvențe cuprinse între 20 Hz și 20.000 Hz.

- Ecografie, cu frecvențe mai mari de 20.000 Hz.

Tonul unui sunet, adică indiferent dacă este ridicat, scăzut sau mediu, depinde de frecvență. Frecvențele inferioare sunt interpretate ca sunete de bas, aproximativ între 20 și 400 Hz.

Frecvențele cuprinse între 400 și 1600 Hz sunt considerate tonuri medii, în timp ce maximele variază între 1600 și 20.000 Hz. Sunetele înalte sunt ușoare și străpungătoare, în timp ce basul este perceput ca fiind mai profund și în plină expansiune.

Sunetele pe care le auzi în fiecare zi sunt suprapuneri complexe de sunete cu diferite frecvențe în imediata apropiere.

Sunetul are alte calități decât frecvența, care pot servi drept criterii pentru clasificarea sa. Exemple dintre acestea sunt timbre, durată și intensitate.

Egalizatorul constă din filtre care elimină zgomotul și stimulează anumite frecvențe pentru a îmbunătăți calitatea sunetului. Sursa: Pixabay.

Zgomot

De asemenea, este important să facem distincția între sunetele dorite și sunetele sau zgomotele nedorite. Întrucât zgomotul este întotdeauna căutat să fie eliminat, acesta este clasificat în funcție de intensitate și perioadă în:

- Zgomot continuu.

- Zgomot fluctuant.

- Zgomot impulsiv.

Sau după culori, legate de frecvența lor:

- Zgomot roz (similar cu un „shhhhhh”).

- Zgomot alb (similar cu un "psssssss").

- Zgomotul maro (de Robert Brown, descoperitorul mișcării browniene, este un zgomot care favorizează foarte mult frecvențele joase).

Aplicații

Utilizarea care se dă energiei acustice depinde de tipul undei sonore utilizate. În gama undelor sonore, utilizarea universală a sunetului este de a permite o comunicare strânsă, nu numai între oameni, deoarece animalele comunică și ele emitând sunete.

Sunetele sunt versatile. Fiecare diferă în funcție de sursa care o emite. În felul acesta, varietatea sunetelor din natură este infinită: fiecare voce umană este diferită, precum și sunetele caracteristice pe care speciile de animale le folosesc pentru a comunica între ele.

Multe animale folosesc energia sunetului pentru a se localiza în spațiu și, de asemenea, pentru a-și capta prada. Ele emit semnale acustice și au organe receptoare care analizează semnalele reflectate. În acest fel, obțin informații despre distanțe.

Ființele umane nu au organele necesare pentru a utiliza energia sonică în acest fel. Cu toate acestea, au creat dispozitive de orientare precum sonar, bazate pe aceiași principii, pentru a facilita navigarea.

Pe de altă parte, ultrasunetele sunt unde sonore ale căror aplicații sunt bine cunoscute. În medicină sunt folosite pentru a obține imagini ale interiorului corpului uman. De asemenea, fac parte din tratamentul unor afecțiuni precum lumbago și tendinită.

Unele aplicații ale energiei acustice

- Cu ultrasunete cu energie mare, pietre sau calculi care se formează în rinichi și vezica biliară pot fi distruse din cauza precipitațiilor sărurilor minerale din aceste organe.

- În geofizică, ecografia este utilizată ca metode de prospectare. Principiile sale sunt similare cu cele ale metodelor seismice. Pot fi utilizate în aplicații, de la determinarea formei oceanului până la relief, până la calcularea modulelor elastice.

- În tehnologia alimentară sunt utilizate pentru a elimina microorganismele rezistente la temperaturi ridicate, precum și pentru a îmbunătăți unele texturi și calități ale alimentelor.

Avantaj

Energia acustică are avantaje care se datorează în mare măsură domeniului său scurt. De exemplu, este ieftin de produs și nu generează deșeuri chimice sau alte deșeuri, deoarece se disipează rapid în mediu.

În ceea ce privește sursele de energie acustică, acestea sunt numeroase. Orice obiect capabil să vibreze poate deveni o sursă de sunet.

Când este utilizat în aplicații medicale, cum ar fi imagistica cu ultrasunete, are avantajul de a nu utiliza radiații ionizante, cum ar fi radiografiile sau tomografia. Este un fapt că radiațiile ionizante pot provoca deteriorarea celulelor.

Utilizarea sa nu necesită măsuri de protecție care sunt necesare la aplicarea radiațiilor ionizante. Trusele sunt, de asemenea, mai ieftine.

De asemenea, energia cu ultrasunete este o metodă non-invazivă pentru a elimina rinichii și calculii biliari menționați anterior, evitând astfel procedurile chirurgicale.

În principiu, nu generează poluare nici în aer, nici în ape. Dar se știe că există o poluare fonică în mări, cauzată de activități umane precum pescuitul intensiv, prospectarea geofizică și transportul.

Dezavantaje

Este dificil să ne gândim la dezavantajele pe care le poate avea un fenomen la fel de natural ca sunetul.

Unul dintre puținele este că sunetele puternice pot deteriora structura timpanului și, în timp, fac ca persoanele expuse continuu să își piardă senzația.

Mediile foarte zgomotoase ajung să provoace stres și disconfort la oameni. Un alt dezavantaj este poate faptul că energia acustică nu este folosită pentru a mișca obiecte, ceea ce face foarte dificil să profitați de vibrații pentru a afecta obiecte solide.

Acest lucru se datorează faptului că sunetul necesită întotdeauna existența unui mediu pentru a se putea propaga și, prin urmare, este ușor de atenuat. Cu alte cuvinte, energia sonoră este absorbită mai repede în mediu decât cea a altor tipuri de unde, de exemplu cele electromagnetice.

Din acest motiv, energia undelor sonore este de rază relativ scurtă în aer. Sunetul este absorbit de structuri și obiecte pe măsură ce se propagă, iar energia sa se disipează treptat în căldură.

Desigur, acest lucru este legat de conservarea energiei: energia nu este distrusă, ci își schimbă forma. Vibrațiile moleculelor din aer nu sunt transformate numai în schimbări de presiune care dau naștere sunetului. De asemenea, vibrațiile dau naștere la căldură.

Absorbția sunetului în materiale

Când undele sonore lovesc un material precum un zid de cărămidă, de exemplu, o parte din energie este reflectată. O altă parte este disipată în căldură, datorită vibrației moleculare atât a aerului, cât și a materialului; iar în final fracția rămasă trece prin material.

Astfel, undele sonore pot fi reflectate în același mod în care o face lumina. Reflectarea sunetului este cunoscută sub numele de „ecou”. Cu cât suprafața este mai rigidă și uniformă, cu atât capacitatea de reflectare este mai mare.

De fapt, există suprafețe care sunt capabile să producă multiple reflexe numite reverberații. De obicei, acest lucru se produce în spații mici și este evitat prin plasarea materialului izolant, astfel încât, în acest fel, undele emise și reflectate nu se suprapun, ceea ce face auzul dificil.

Pe parcursul întregii propagări, unda acustică va înregistra toate aceste pierderi succesive până când în final energia este complet absorbită în mediu. Ceea ce înseamnă că a fost transformată în energie termică.

Există o mărime de a cuantifica capacitatea unui material de a absorbi sunetul. Se numește coeficient de absorbție. Este notat ca α și este raportul dintre energia absorbită E _abs și energia incidentă E _inc , toate acestea referindu-se la materialul în cauză. Se exprimă matematic astfel:

α = E _abs / E _inc

Valoarea maximă a α este 1 (absoarbe complet sunetul), iar cea minimă este 0 (permite ca toate să sune).

Sunetul poate fi un dezavantaj în multe ocazii când se preferă tăcerea. De exemplu, mașinile sunt prevăzute cu amortizoare pentru a amortiza zgomotele motorului. La alte dispozitive precum pompele de apă și centralele electrice.

Izolarea fonică este importantă într-un studio de înregistrare. Sursa: Pixabay.

Exemple de energie sonoră

Energia sonoră este peste tot. Iată un exemplu simplu care ilustrează proprietățile sunetului și energia acestuia din punct de vedere cantitativ.

Exercițiu rezolvat

Un ac de masă 0,1 g cade de la o înălțime de 1m. Presupunând că 0,05% din energia sa este transformată într-un impuls sonor cu o durată de 0,1 s, estimați distanța maximă la care poate fi auzită o picătură. Luați ca intensitatea minimă a sunetului audibil 10 ^-8 W / m ² .

Soluţie

Ecuația dată mai sus va fi utilizată pentru intensitatea sunetului:

O bună întrebare este de unde provine energia sonoră în acest caz, aceea a cărei intensitate detectează urechea umană.

Răspunsul este în energia potențială gravitațională. Tocmai pentru că știftul cade de la o anumită înălțime, la care a avut energie potențială, deoarece cade, transformă această energie în energie cinetică.

Și după ce lovește solul, energia este transferată moleculelor de aer din jurul locului de avarie, dând naștere sunetului.

Energia U potențială gravitațională U este:

Unde m este masa pinului, g este accelerația gravitației, iar h este înălțimea de la care a căzut. Înlocuirea acestor valori numerice, dar nu înainte de a face conversiile corespunzătoare în Sistemul internațional de unități, avem:

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

Afirmația spune că, din această energie, doar 0,05% este transformată pentru a da naștere pulsului sonor, adică a tâmpitului pinului când lovește podeaua. Prin urmare, energia sonoră este:

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

Din ecuația de intensitate, raza R este curățată și se înlocuiesc valorile energiei _sonore E și timpul care a durat pulsul: 0,1 s conform enunțului.

Prin urmare, distanța maximă la care va fi auzită căderea acului este de 6,24 m în toate direcțiile.

Referințe

1. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. Ediția a șasea. Sala Prentice. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Fundamentele acustice. Ediția a 4-a Wiley & Sons. 124-125.