Caratteristiche dell'energia sonora, tipi, usi, vantaggi, esempi

IL Energia sonora O acustico è quello che trasporta le onde sonore quando si diffondono in un mezzo, che può essere un gas come aria, un liquido o un solido. Esseri umani e molti animali usano l'energia acustica per relazionarsi con l'ambiente.

Per questo hanno organi specializzati, ad esempio corde vocali, in grado di produrre vibrazioni. Queste vibrazioni vengono trasportate in aria per raggiungere altri organi specializzati responsabili della loro interpretazione.

L'energia acustica si traduce in musica attraverso il clarinetto. Fonte: Pixabay

Le vibrazioni causano compressioni e espansioni successive nell'aria o nel mezzo che circonda la sorgente, che si stanno propagando con una certa velocità. Non sono le particelle che viaggiano, ma sono limitate all'oscillazione rispetto alla loro posizione di equilibrio. Il disturbo è ciò che viene trasmesso.

Ora, come è noto, gli oggetti che si muovono hanno energia. Pertanto, anche le onde mentre viaggiano nel mezzo portano con sé l'energia associata al movimento delle particelle (energia cinetica), e anche all'energia che ha intrinsecamente detto mezzo, noto come energia potenziale.

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Caratteristiche

Come è noto, gli oggetti che si muovono hanno energia. Quindi le onde mentre viaggiano nel mezzo, portano con sé l'energia associata al movimento delle particelle (energia cinetica) e anche all'energia di deformazione del potenziale ambiente o energia.

Supponendo una porzione molto piccola del mezzo, che può essere l'aria, ogni particella con velocità O, Ha energia cinetica K Dato da:

K = ½ mu²

Inoltre, la particella ha un'energia potenziale O che dipende dal cambiamento nel volume che sperimenta, essendo Vo Il volume iniziale, V Il volume finale e P La pressione, che dipende dalla posizione e dal tempo:

Il segno negativo indica un aumento dell'energia potenziale, poiché l'onda mediante diffusione funziona sull'elemento del volume Dv Quando lo comprime, grazie alla pressione acustica positiva.

La massa dell'elemento fluido in termini di densità iniziale ρ_O e il volume iniziale V_O È:

M_O= ρ_OV_O

E quando l'impasto viene preservato (principio di conservazione di massa):

ρv = ρ_OV_O = costante

Pertanto l'energia totale rimane come segue:

Calcolo dell'energia potenziale

L'integrale può essere risolto con l'aiuto del principio di conservazione di massa

M_O = m_F

Il derivato di una costante è 0, quindi (ρV) ' = 0. Perciò:

Dv = (-v/ρ) dρ

Isaac Newton ha stabilito che:

(dp/dρ) = c²

Dove C rappresenta la velocità del suono nel fluido in questione. Sostituendo quanto sopra, si ottiene l'energia potenziale del mezzo:

Infine, l'energia acustica totale di un elemento di volume è espressa come:

Per un'onda piatta è vero che: P =  ± (ρc) u, Pertanto l'energia rimane:

Come sempre, l'energia viene misurata a Joules, nel sistema internazionale. È facile verificare che il risultato precedente abbia dimensioni energetiche (n.M = joule).

SÌ_P Già_v Queste sono le ampiezze rispettivamente della pressione e dell'onda di velocità, l'energia media ε dell'onda sonora è:

Intensità del suono

Il suono può essere caratterizzato da una grandezza chiamata intensità.

L'intensità del suono è definita come l'energia che si verifica in un secondo attraverso l'unità di superficie che è perpendicolare alla direzione della propagazione del suono.

Poiché l'energia per unità di tempo è l'alimentazione P, l'intensità del suono Yo Può essere espresso come:

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Dove E è l'energia media, A è l'area e T È il momento. Se una superficie sferica di radio R dovrebbe circondare la Sonora Fuente, la cui area è 4πr², L'intensità del suono rimane:

Ragazzi

Ogni tipo di onda sonora ha una frequenza caratteristica e trasporta una certa energia. Tutto ciò determina il suo comportamento acustico. Poiché il suono è così importante per la vita umana, i tipi di suoni sono classificati in tre grandi gruppi, secondo la gamma di frequenza udibile per gli umani:

- Infrasonido, la cui frequenza è inferiore a 20 Hz.

- Spettro udibile, con frequenze che vanno dalle 20 alle 20.000 Hz.

- Ultrasuoni, con frequenze superiori a 20.000 Hz.

Il tono di un suono, cioè se è acuto, grave o medio, dipende dalla frequenza. Le frequenze più basse sono interpretate come suoni gravi, circa tra 20 e 400 Hz.

Le frequenze tra 400 e 1600 Hz sono considerate toni medi, mentre la variazione acuta da 1600 a 20.000 Hz. I suoni acuti sono leggeri e penetranti, mentre i bassi sono percepiti come più profondi e in ritardo.

I suoni che vengono ascoltati quotidianamente sono complesse sovrapposizioni di suoni con varie frequenze successive.

Il suono ha altre qualità a parte la frequenza, che può servire da criteri per la loro classificazione. Esempio di loro sono la campana, la durata e l'intensità.

Il pareggio è costituito da filtri che eliminano il rumore e migliorano alcune frequenze per migliorare la qualità del suono. Fonte: Pixabay.

Rumore

È anche importante fare la distinzione tra suoni o rumore desiderati e indesiderati. Dal momento che cerca sempre di eliminare il rumore, questo è classificato in base all'intensità e al periodo in:

- Rumore continuo.

- Rumore fluttuante.

- Rumore impulsivo.

O per colori, collegati alla sua frequenza:

- Rumore rosa (simile a un "Shhhhh").

- Rumore bianco (simile a un "PSSSSS").

- Il rumore marrone (di Robert Brown, lo scopritore del movimento browniano, è un rumore che favorisce notevolmente le basse frequenze).

Applicazioni

L'uso dato all'energia acustica dipende dal tipo di onda sonora utilizzata. Nella gamma di onde udibili, l'uso universale del suono è consentire una stretta comunicazione, non solo tra le persone, poiché gli animali comunicano anche suoni emessi.

I suoni sono versatili. Ognuno differisce in base alla fonte che la emette. In questo modo la varietà di suoni in natura è infinita: ogni voce umana è diversa, così come i suoni caratteristici che le specie animali usano per comunicare tra loro.

Molti animali usano energia sonora per trovarsi nello spazio e anche per catturare la loro preda. Emettono segnali acustici e hanno organi di recettori che analizzano i segnali riflessi. In questo modo ottengono informazioni sulle distanze.

Gli esseri umani mancano degli organi necessari per usare l'energia sonora in questo modo. Tuttavia, hanno creato dispositivi di orientamento come Sónar, basati su questi stessi principi, per facilitare la navigazione.

D'altra parte, gli ultrasuoni sono onde sonore le cui applicazioni sono ben note. In medicina sono usati per ottenere immagini dall'interno del corpo umano. Fanno anche parte del trattamento di alcune condizioni come Lumbago e Tendonite.

Alcune applicazioni di energia acustica

- Con ultrasuoni ad alta energia, pietre o calcoli che si formano nei reni e nella cistifellea possono essere distrutti a causa della precipitazione dei sali minerali in questi organi.

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- In geofisica gli ultrasuoni sono usati come metodi di prospezione. I suoi principi sono simili a quelli dei metodi sismici. Possono essere utilizzati in applicazioni che vanno dalla determinazione della forma del sollievo oceanico ai testimoni per calcolare i moduli elastici.

- Nella tecnologia alimentare vengono utilizzati per eliminare i microrganismi resistenti alle alte temperature, nonché per migliorare alcune trame e qualità alimentari.

Vantaggi

L'energia acustica presenta vantaggi dovuti in gran parte al suo ambito basso. Ad esempio, non è costoso produrre e non genera tipi chimici o di altro tipo, poiché si dissipa rapidamente.

Per quanto riguarda le fonti di energia acustica, sono numerose. Qualsiasi oggetto in grado di vibrare può diventare una sorgente sonora.

Se utilizzato nelle applicazioni mediche, ad esempio ottenendo immagini per ultrasuoni, ha il vantaggio di non usare radiazioni ionizzanti, come raggi x o tomografia. È un dato di fatto che le radiazioni ionizzanti possono causare danni cellulari.

Il loro uso richiede anche le misure di protezione necessarie durante l'applicazione di radiazioni ionizzanti. Le squadre sono anche più economiche.

Inoltre, l'energia ad ultrasuoni è un metodo non invasivo per eliminare i suddetti calcoli renali e biliari, evitando così le procedure chirurgiche.

In linea di principio non genera contaminazione né nell'aria né nelle acque. Ma è noto che c'è inquinamento acustico nei mari, a causa di attività umane come la pesca intensiva, la prospezione geofisica e il trasporto.

Svantaggi

È difficile pensare agli svantaggi che un fenomeno naturale come il suono può avere.

Uno dei pochi è che i suoni di grande intensità possono danneggiare la struttura del timpano, e nel tempo le persone esposte continuamente perdono la loro sensibilità.

Gli ambienti molto rumorosi finiscono per causare stress e disagio nelle persone. Un altro svantaggio è forse il fatto che l'energia acustica non serve a spostare gli oggetti, essendo molto difficile trarre vantaggio dalle vibrazioni per influenzare gli oggetti solidi.

Questo perché il suono richiede sempre l'esistenza di un mezzo per diffondersi, e quindi è facilmente attenuato. Cioè, l'energia sonora viene assorbita nel mezzo più rapidamente di quella di altri tipi di onde, ad esempio elettromagnetico.

Per questo motivo l'energia delle onde sonore è relativamente corta in aria. Il suono è assorbito da strutture e oggetti mentre si diffonde e la sua energia si dissipano gradualmente nel calore.

Naturalmente, questo è legato alla conservazione dell'energia: l'energia non viene distrutta ma cambia forma. Le vibrazioni delle molecole nell'aria non sono solo trasformate in cambiamenti di pressione che danno origine al suono. Le vibrazioni danno anche fuoco al calore.

Assorbimento del suono nei materiali

Quando le onde sonore colpiscono un materiale come un muro di mattoni, ad esempio, parte dell'energia viene riflessa. Un'altra parte è dissipata in calore, grazie alla vibrazione molecolare sia dell'aria che del materiale; E infine la frazione rimanente attraversa il materiale.

Pertanto, le onde sonore possono essere riflesse allo stesso modo della luce. Il riflesso del suono è noto come "eco". Più rigida e uniforme è la superficie, maggiore è la capacità di riflettere.

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In effetti, ci sono superfici che sono in grado di produrre più riflessioni chiamate Riverberazioni. Di solito ciò si verifica in piccoli spazi ed è evitato posizionando materiale isolante, in modo che in questo modo le onde emesse e quelle riflesse non si sovrappongono all'udito ostacolato.

Durante la sua propagazione, l'onda acustica sperimenterà tutte queste perdite successive fino a quando finalmente l'energia non sarà completamente assorbita nel mezzo. Il che significa che è stato trasformato in energia calorica.

C'è una grandezza per quantificare la capacità di un materiale di assorbire il suono. È chiamato coefficiente di assorbimento. È indicato come α, ed è la ragione tra il energia assorbita E_addominali e il energia incidente E_INC, Tutti riferiti al materiale in questione. Esprime matematicamente così:

α = e_addominali/E_INC

Il valore massimo di α è 1 (assorbe completamente il suono) e il minimo è 0 (lascia che tutto il suono passino).

Il suono può essere uno svantaggio in molte occasioni in cui si preferisce il silenzio. Ad esempio, le auto sono silenziatori installati per ammortire il rumore del motore. Ad altri dispositivi come le pompe dell'acqua e anche le piante elettriche.

L'isolamento acustico è importante in uno studio di registrazione. Fonte: Pixabay.

Esempi di energia sonora

L'energia del suono è ovunque. Ecco un semplice esempio che illustra le proprietà del suono e la sua energia dal punto di vista quantitativo.

Esercizio risolto

Un perno di massa da 0,1 g cade da un'altezza di 1m. Supponendo che lo 0,05 % della sua energia diventi un solido impulso di durata 0.1 s, stimare qual è la distanza massima a cui si può sentire la caduta del perno. Prendi un'intensità del suono minima udibile 10^-8 W/m².

Soluzione

Verrà utilizzata l'equazione precedentemente fornita per l'intensità del suono:

Una buona domanda è da dove proviene l'energia del suono in questo caso, che la cui intensità rileva l'orecchio umano.

La risposta è nell'energia potenziale gravitazionale. Proprio perché il perno cade da una certa altezza, a cui aveva un'energia potenziale, poiché cade trasforma questa energia in energia cinetica.

E una volta che ha un impatto sul terreno, l'energia viene trasferita alle molecole d'aria che circondano il luogo della caduta, che dà origine al suono.

Energia potenziale gravitazionale O È:

U = mgh

Dove M È l'impasto del pin, G È l'accelerazione della gravità e H È l'altezza da cui è caduta. Sostituire questi valori numerici, ma non prima di effettuare le conversioni corrispondenti nel sistema internazionale di unità, hai:

U = 0.1 x 10^-3 X 9.8 x 1 j = 0.00098 J

La dichiarazione dice che di questa energia, solo 0.Lo 05 % si trasforma per dare origine all'impulso sonoro, cioè al pin tintineo quando si scontra sul pavimento. Pertanto l'energia sonora è:

E_suono= 4.9 x 10^-7 J

Dall'equazione di intensità la radio viene cancellata R e i valori di energia sonora vengono sostituiti e_suono E il tempo che è durato il polso: 0.1 s secondo la dichiarazione.

Pertanto la distanza massima a cui sarà udibile la caduta del perno è udibile.24 m intorno.

Riferimenti

1. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 332 - 359.
2. Kinsler, l. (2000). Fondamenti di acustica. 4a ed. Wiley & Sons. 124-125.