GELUIDSENERGIE: KENMERKEN, SOORTEN, TOEPASSINGEN, VOORDELEN, VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

De geluidsenergie of akoestiek die de geluidsgolven draagt ​​terwijl ze zich voortplanten in een medium, dat een gas kan zijn zoals lucht, een vloeistof of een vaste stof. Mensen en veel dieren gebruiken akoestische energie om in wisselwerking te staan ​​met de omgeving.

Hiervoor hebben ze gespecialiseerde orgels, bijvoorbeeld de stembanden, die trillingen kunnen produceren. Deze trillingen worden in de lucht getransporteerd om andere gespecialiseerde organen te bereiken die verantwoordelijk zijn voor hun interpretatie.

Akoestische energie wordt omgezet in muziek door het geluid van de klarinet. Bron: Pixabay

De trillingen veroorzaken opeenvolgende compressies en uitzettingen in de lucht of het medium dat de bron omringt, die zich met een bepaalde snelheid voortplanten. Het zijn niet de deeltjes die reizen, maar ze oscilleren eenvoudig met betrekking tot hun evenwichtspositie. De storing is wat wordt overgedragen.

Zoals bekend hebben bewegende objecten energie. De golven terwijl ze door het medium reizen, dragen dus ook de energie met zich mee die geassocieerd is met de beweging van de deeltjes (kinetische energie), en ook de energie die dit medium intrinsiek bezit, bekend als potentiële energie.

kenmerken

Zoals bekend hebben bewegende objecten energie. Evenzo dragen de golven terwijl ze door het medium reizen de energie met zich mee die geassocieerd is met de beweging van de deeltjes (kinetische energie) en ook de vervormingsenergie van het medium of potentiële energie.

Ervan uitgaande dat een zeer klein deel van het medium, dat lucht kan zijn, heeft elk deeltje met snelheid u kinetische energie K gegeven door:

Bovendien heeft het deeltje potentiële energie U die afhankelijk is van de volumeverandering die het ervaart, waarbij Vo het initiële volume is, V het uiteindelijke volume en p de druk, die afhangt van positie en tijd:

Het minteken duidt op een toename van de potentiële energie, aangezien de voortplantende golf wel werkt op het volume-element dV bij het comprimeren ervan, dankzij een positieve akoestische druk.

De massa van het vloeistofelement in termen van de aanvankelijke dichtheid ρ _o en het aanvankelijke volume V _o is:

En hoe de massa behouden blijft (principe van behoud van massa):

Daarom is de totale energie als volgt:

Potentiële energie berekenen

De integraal kan worden opgelost met behulp van het principe van behoud van massa

De afgeleide van een constante is 0, dus (ρ V) '= 0. Daarom:

Isaac Newton stelde vast dat:

(dp / dρ) = c ²

Waar c staat voor de geluidssnelheid in de betreffende vloeistof. Door het bovenstaande in de integraal te vervangen, wordt de potentiële energie van het medium verkregen:

Als _Ap en A _v de amplitudes zijn van de drukgolf respectievelijk snelheid, is de gemiddelde energie ε van de geluidsgolf:

Geluid kan worden gekenmerkt door een hoeveelheid die intensiteit wordt genoemd.

De intensiteit van geluid wordt gedefinieerd als de energie die in één seconde door het eenheidsgebied gaat dat loodrecht staat op de richting van de geluidsvoortplanting.

Omdat de energie per tijdseenheid het vermogen P is, kan de intensiteit van geluid I worden uitgedrukt als:

Elk type geluidsgolf heeft een karakteristieke frequentie en draagt ​​een bepaalde energie. Dit alles bepaalt zijn akoestische gedrag. Omdat geluid zo belangrijk is voor het menselijk leven, worden de soorten geluiden ingedeeld in drie grote groepen, volgens het frequentiebereik dat hoorbaar is voor mensen:

- Infrageluid, waarvan de frequentie minder is dan 20 Hz.

- Hoorbaar spectrum, met frequenties van 20 Hz tot 20.000 Hz.

- Echografie, met frequenties hoger dan 20.000 Hz.

De toonhoogte van een geluid, dat wil zeggen of het hoog, laag of gemiddeld is, hangt af van de frequentie. De lagere frequenties worden geïnterpreteerd als basgeluiden, ongeveer tussen 20 en 400 Hz.

Frequenties tussen 400 en 1600 Hz worden als middentonen beschouwd, terwijl hoge tonen variëren van 1600 tot 20.000 Hz Hoge tonen zijn licht en doordringend, terwijl bas als dieper en dreunend wordt ervaren.

De geluiden die u elke dag hoort, zijn complexe overlays van geluiden met verschillende frequenties dicht bij elkaar.

Geluid heeft andere eigenschappen dan frequentie, die als criterium voor de classificatie kunnen dienen. Voorbeelden hiervan zijn timbre, duur en intensiteit.

De equalizer bestaat uit filters die ruis verwijderen en bepaalde frequenties versterken om de geluidskwaliteit te verbeteren. Bron: Pixabay.

Lawaai

Het is ook belangrijk om het onderscheid te maken tussen gewenste geluiden en ongewenste geluiden of ruis. Omdat ruis altijd wordt gezocht om te worden geëlimineerd, wordt het ingedeeld naar intensiteit en periode in:

- Continu geluid.

- Fluctuerend geluid.

- Impulsief geluid.

Of door kleuren, gekoppeld aan hun frequentie:

- Roze ruis (vergelijkbaar met een "shhhhhh").

- Witte ruis (vergelijkbaar met een "psssssss").

- Bruine ruis (door Robert Brown, de ontdekker van de Brownse beweging, is een ruis die de voorkeur geeft aan lage frequenties).

Toepassingen

Het gebruik dat aan akoestische energie wordt besteed, is afhankelijk van het type geluidsgolf dat wordt gebruikt. In het bereik van hoorbare golven is het universele gebruik van geluid om nauwe communicatie mogelijk te maken, niet alleen tussen mensen, aangezien dieren ook communiceren door geluid uit te zenden.

De geluiden zijn veelzijdig. Elk verschilt afhankelijk van de bron die het uitzendt. Op deze manier is de verscheidenheid aan geluiden in de natuur oneindig: elke menselijke stem is anders, evenals de karakteristieke geluiden die diersoorten gebruiken om met elkaar te communiceren.

Veel dieren gebruiken de energie van geluid om zichzelf in de ruimte te lokaliseren en ook om hun prooi te vangen. Ze zenden akoestische signalen uit en hebben receptororganen die de gereflecteerde signalen analyseren. Op deze manier krijgen ze informatie over afstanden.

Mensen missen de organen die nodig zijn om op deze manier sonische energie te gebruiken. Ze hebben echter oriëntatieapparatuur zoals sonar gemaakt, gebaseerd op dezelfde principes, om navigatie te vergemakkelijken.

Anderzijds zijn echo's geluidsgolven waarvan de toepassingen algemeen bekend zijn. In de geneeskunde worden ze gebruikt om afbeeldingen van het inwendige van het menselijk lichaam te verkrijgen. Ze maken ook deel uit van de behandeling van sommige aandoeningen zoals spit en tendinitis.

Enkele toepassingen van akoestische energie

- Met hoogenergetische echografie kunnen stenen of steentjes die zich vormen in de nieren en galblaas worden vernietigd door het neerslaan van minerale zouten in deze organen.

- In de geofysica wordt echografie gebruikt als zoekmethode. De principes zijn vergelijkbaar met die van seismische methoden. Ze kunnen worden gebruikt in toepassingen variërend van het bepalen van de vorm van de oceaan tot reliëf tot het berekenen van elastische moduli.

- In de voedseltechnologie worden ze gebruikt om micro-organismen te elimineren die bestand zijn tegen hoge temperaturen, en om bepaalde texturen en kwaliteiten van voedsel te verbeteren.

Voordeel

Akoestische energie heeft voordelen die grotendeels te wijten zijn aan het korte bereik. Het is bijvoorbeeld goedkoop om te produceren en genereert geen chemisch of ander afval, aangezien het snel in het medium verdwijnt.

De bronnen van akoestische energie zijn talrijk. Elk object dat kan trillen, kan een bron van geluid worden.

Bij gebruik in medische toepassingen, zoals echografie, heeft het het voordeel dat er geen ioniserende straling wordt gebruikt, zoals röntgenstraling of tomografie. Het is een feit dat ioniserende straling celbeschadiging kan veroorzaken.

Het gebruik ervan vereist niet de beschermingsmaatregelen die nodig zijn wanneer ioniserende straling wordt toegepast. De kits zijn ook goedkoper.

Evenzo is ultrasone energie een niet-invasieve methode om de bovengenoemde nier- en galstenen te elimineren, waardoor chirurgische ingrepen worden vermeden.

Het veroorzaakt in principe geen vervuiling, noch in de lucht, noch in het water. Maar het is bekend dat er geluidsoverlast is in de zeeën, veroorzaakt door menselijke activiteiten zoals intensieve visserij, geofysische prospectie en transport.

Nadelen

Het is moeilijk om na te denken over de nadelen die een zo natuurlijk fenomeen als geluid kan hebben.

Een van de weinige is dat harde geluiden de structuur van het trommelvlies kunnen beschadigen en ervoor zorgen dat mensen die voortdurend worden blootgesteld hun gevoel verliezen.

Zeer luidruchtige omgevingen veroorzaken uiteindelijk stress en ongemak bij mensen. Een ander nadeel is misschien het feit dat akoestische energie niet wordt gebruikt om objecten te verplaatsen, waardoor het erg moeilijk is om te profiteren van trillingen om vaste objecten te beïnvloeden.

Dit komt omdat geluid altijd het bestaan ​​van een medium vereist om zich te kunnen voortplanten, en daarom wordt het gemakkelijk verzwakt. Met andere woorden, geluidsenergie wordt sneller in het medium opgenomen dan die van andere soorten golven, bijvoorbeeld elektromagnetische golven.

Om deze reden is de energie van geluidsgolven in lucht relatief kort. Geluid wordt geabsorbeerd door structuren en objecten terwijl het zich voortplant, en de energie verdwijnt geleidelijk in warmte.

Dit heeft natuurlijk te maken met het behoud van energie: energie wordt niet vernietigd maar verandert van vorm. De trillingen van de moleculen in de lucht worden niet alleen omgezet in drukveranderingen die tot geluid leiden. Trillingen geven ook aanleiding tot warmte.

Geluidsabsorptie in materialen

Wanneer geluidsgolven bijvoorbeeld een materiaal zoals een bakstenen muur raken, wordt een deel van de energie gereflecteerd. Een ander deel wordt in warmte afgevoerd, dankzij de moleculaire vibratie van zowel de lucht als het materiaal; en tenslotte passeert de resterende fractie het materiaal.

Zo kunnen geluidsgolven op dezelfde manier worden gereflecteerd als licht. De weerkaatsing van geluid staat bekend als "echo". Hoe stijver en uniformer het oppervlak, hoe groter het reflectievermogen.

In feite zijn er oppervlakken die in staat zijn om meerdere reflecties te produceren, nagalm genoemd. Meestal gebeurt dit in kleine ruimtes en wordt dit vermeden door het plaatsen van isolatiemateriaal, zodat op deze manier de uitgezonden en gereflecteerde golven niet overlappen en het gehoor wordt bemoeilijkt.

Tijdens al zijn voortplanting zal de akoestische golf al deze opeenvolgende verliezen ondergaan totdat de energie uiteindelijk volledig in het medium is opgenomen. Wat betekent dat het is omgezet in warmte-energie.

Er is een omvang om het vermogen van een materiaal om geluid te absorberen te kwantificeren. Het heet de absorptiecoëfficiënt. Het wordt aangeduid als α, en het is de verhouding tussen de geabsorbeerde energie E _abs en de invallende energie E _inc , allemaal verwezen naar het materiaal in kwestie. Het wordt wiskundig als volgt uitgedrukt:

α = E _abs / E _incl

De maximale waarde van α is 1 (absorbeert geluid volledig) en de minimale waarde is 0 (laat alle geluid door).

Geluid kan in veel gevallen een nadeel zijn als stilte de voorkeur heeft. Zo zijn auto's uitgerust met geluiddempers om motorgeluiden te dempen. Ook naar andere apparaten zoals waterpompen en energiecentrales.

Geluidsisolatie is belangrijk in een opnamestudio. Bron: Pixabay.

Voorbeelden van geluidsenergie

Geluidsenergie is overal. Hier is een eenvoudig voorbeeld dat de eigenschappen van geluid en zijn energie vanuit een kwantitatief oogpunt illustreert.

Oefening opgelost

Een speld met een massa van 0,1 g valt van een hoogte van 1 meter. Stel dat 0,05% van zijn energie wordt omgezet in een geluidspuls met een duur van 0,1 s, schat dan de maximale afstand waarop de pin valt te horen is. Neem als minimum hoorbare geluidsintensiteit ^10-8 W / m ² .

Oplossing

De bovenstaande vergelijking wordt gebruikt voor de intensiteit van het geluid:

Een goede vraag is waar de geluidsenergie vandaan komt in dit geval, waarvan de intensiteit het menselijk oor detecteert.

Het antwoord ligt in potentiële zwaartekrachtenergie. Juist omdat de pin van een bepaalde hoogte valt, waarop hij potentiële energie had, zet hij deze energie bij het vallen om in kinetische energie.

En zodra het de grond raakt, wordt de energie overgebracht naar de luchtmoleculen rond de crashlocatie, waardoor het geluid ontstaat.

De potentiële zwaartekrachtenergie U is:

Waar m de massa van de pen is, g de versnelling van de zwaartekracht en h de hoogte is vanwaar hij viel. Als we deze numerieke waarden vervangen, maar niet voordat we de overeenkomstige conversies hebben uitgevoerd in het internationale systeem van eenheden, hebben we:

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

De verklaring zegt dat van deze energie slechts 0,05% wordt getransformeerd om de geluidspuls te veroorzaken, dat wil zeggen het rinkelen van de pin wanneer deze de grond raakt. Daarom is de geluidsenergie:

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

Uit de intensiteitsvergelijking wordt de straal R gewist en worden de waarden van het geluidsenergie E- _geluid en de tijd dat de puls duurde vervangen : 0,1 s volgens de verklaring.

Daarom is de maximale afstand waarop de pin drop hoorbaar zal zijn 6,24 m in alle richtingen.

Referenties

1. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. Zesde editie. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Fundamentals of Acoustic. 4e druk. Wiley & Sons. 124-125.