Das Schall Energie oder akustisch ist eine, die Schallwellen transportiert, wenn sie sich in einem Medium ausbreiten, das ein Gas wie Luft, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein kann. Menschen und viele Tiere nutzen akustische Energie, um mit der Umwelt zu interagieren.
Dafür haben sie spezielle Organe, zum Beispiel die Stimmbänder, die Schwingungen erzeugen können. Diese Schwingungen werden in der Luft transportiert, um andere spezialisierte Organe zu erreichen, die für ihre Interpretation verantwortlich sind..
Die Vibrationen verursachen aufeinanderfolgende Kompressionen und Ausdehnungen in der Luft oder dem die Quelle umgebenden Medium, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten. Es sind nicht die Teilchen, die sich fortbewegen, sondern sie beschränken sich darauf, in Bezug auf ihre Gleichgewichtsposition zu schwingen. Störung ist das, was übertragen wird.
Objekte, die sich bewegen, haben bekanntlich Energie. Somit tragen die Wellen, während sie sich im Medium bewegen, auch die Energie mit sich, die mit der Bewegung der Teilchen verbunden ist (kinetische Energie), und auch die Energie, die das Medium an sich besitzt, die als potentielle Energie bekannt ist.
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Objekte, die sich bewegen, haben bekanntlich Energie. Ebenso tragen die Wellen, wenn sie sich im Medium bewegen, die Energie mit sich, die mit der Bewegung der Teilchen verbunden ist (kinetische Energie) und auch die Verformungsenergie des Mediums oder die potentielle Energie.
Angenommen, ein sehr kleiner Teil des Mediums, der Luft sein kann, jedes Teilchen mit Geschwindigkeit oder, hat kinetische Energie K. gegeben durch:
K = ½ muzwei
Das Teilchen hat auch potentielle Energie ODER Das hängt von der Lautstärkeänderung ab, die es erfährt Vo das anfängliche Volumen, V. das endgültige Volumen und p Druck, der von Position und Zeit abhängt:
Das negative Vorzeichen zeigt einen Anstieg der potentiellen Energie an, da die Wellenausbreitung auf das Volumenelement wirkt dV im komprimierten Zustand dank positivem Schalldruck.
Die Masse des Fluidelements in Bezug auf die Anfangsdichte ρoder und das Anfangsvolumen V.oder es ist:
moder= ρoderV.oder
Und wie die Masse erhalten bleibt (Prinzip der Massenerhaltung):
ρV = ρoderV.oder = konstant
Daher ist die Gesamtenergie wie folgt:
Das Integral kann nach dem Prinzip der Massenerhaltung gelöst werden
moder = mF.
Die Ableitung einer Konstanten ist also 0 (ρV) ' = 0. Deshalb:
dV = (-V / ρ) dρ
Isaac Newton stellte fest, dass:
(dp / dρ) = czwei
Wo c repräsentiert die Schallgeschwindigkeit in der betreffenden Flüssigkeit. Durch Einsetzen des obigen in das Integral wird die potentielle Energie des Mediums erhalten:
pdp=%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Cleft&space;(%5Cfrac%7BV%7D%7B%5Crho&space;c%5E%7B2%7D%7D&space;%5Cright&space;)p%5E%7B2%7D)
Ja einep bereitsv Sind die Amplituden der Druckwelle bzw. der Geschwindigkeit, beträgt die durchschnittliche Energie ε der Schallwelle:
Schall kann durch eine gerufene Größe charakterisiert werden Intensität.
Die Schallintensität ist definiert als die Energie, die in einer Sekunde durch die Oberflächeneinheit senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Schalls fließt.
Da Energie pro Zeiteinheit Leistung ist P., die Intensität des Klangs ich kann ausgedrückt werden als:
Jede Art von Schallwelle hat eine charakteristische Frequenz und trägt eine bestimmte Energie. All dies bestimmt sein akustisches Verhalten. Da Schall für das menschliche Leben so wichtig ist, werden die Arten von Geräuschen je nach dem für den Menschen hörbaren Frequenzbereich in drei große Gruppen eingeteilt:
- Infraschall, dessen Frequenz weniger als 20 Hz beträgt.
- Hörbares Spektrum mit Frequenzen von 20 Hz bis 20.000 Hz.
- Ultraschall mit Frequenzen über 20.000 Hz.
Die Tonhöhe eines Klangs, dh ob er hoch, niedrig oder mittel ist, hängt von der Frequenz ab. Niedrigere Frequenzen werden als Bassklänge interpretiert, ungefähr zwischen 20 und 400 Hz.
Frequenzen zwischen 400 und 1600 Hz gelten als Mitteltöne, während die Höhen zwischen 1600 und 20.000 Hz liegen. Hohe Töne sind leicht und durchdringend, während der Bass als tiefer und dröhnender wahrgenommen wird..
Die Geräusche, die Sie jeden Tag hören, sind komplexe Überlagerungen von Geräuschen mit verschiedenen Frequenzen in unmittelbarer Nähe..
Klang hat andere Eigenschaften als die Frequenz, die als Kriterien für seine Klassifizierung dienen können. Beispiele hierfür sind Klangfarbe, Dauer und Intensität.
Es ist auch wichtig, zwischen gewünschten Geräuschen und unerwünschten Geräuschen oder Geräuschen zu unterscheiden. Da Rauschen immer beseitigt werden soll, wird es nach Intensität und Zeitraum in folgende Kategorien eingeteilt:
- Kontinuierliches Geräusch.
- Schwankendes Geräusch.
- Impulsgeräusch.
Oder durch Farben, die mit ihrer Häufigkeit verknüpft sind:
- Rosa Rauschen (ähnlich einem „shhhhhh”).
- Weißes Rauschen (ähnlich einem „psssssss”).
- Braunes Rauschen (von Robert Brown, dem Entdecker der Brownschen Bewegung, ist Rauschen, das niedrige Frequenzen stark bevorzugt).
Die Verwendung von akustischer Energie hängt von der Art der verwendeten Schallwelle ab. Im Bereich der hörbaren Wellen besteht die universelle Verwendung von Schall darin, eine enge Kommunikation nicht nur zwischen Menschen zu ermöglichen, da Tiere auch durch Aussenden von Geräuschen kommunizieren.
Die Sounds sind vielseitig. Jedes unterscheidet sich je nach der Quelle, die es aussendet. Auf diese Weise ist die Vielfalt der Geräusche in der Natur unendlich: Jede menschliche Stimme ist anders, ebenso wie die charakteristischen Geräusche, mit denen Tierarten miteinander kommunizieren..
Viele Tiere nutzen die Energie des Schalls, um sich im Weltraum zu lokalisieren und ihre Beute zu fangen. Sie senden akustische Signale aus und haben Rezeptororgane, die die reflektierten Signale analysieren. Auf diese Weise erhalten sie Informationen über die Entfernungen.
Dem Menschen fehlen die Organe, um die Schallenergie auf diese Weise zu nutzen. Sie haben jedoch Orientierungsgeräte wie Sonar entwickelt, die auf denselben Prinzipien basieren, um die Navigation zu erleichtern..
Andererseits sind Ultraschall Schallwellen, deren Anwendungen bekannt sind. In der Medizin werden sie verwendet, um Bilder des Inneren des menschlichen Körpers zu erhalten. Sie sind auch Teil der Behandlung einiger Erkrankungen wie Hexenschuss und Sehnenentzündung.
- Mit energiereichem Ultraschall können die Steine oder Steine, die sich in den Nieren und in der Gallenblase aufgrund der Ausfällung von Mineralsalzen in diesen Organen bilden, zerstört werden..
- In der Geophysik wird Ultraschall als Prospektionsmethode eingesetzt. Seine Prinzipien ähneln denen seismischer Methoden. Sie können in Anwendungen eingesetzt werden, die von der Bestimmung der Form des Ozeans über das Relief bis zur Berechnung der Elastizitätsmodule reichen.
- In der Lebensmitteltechnologie werden sie verwendet, um Mikroorganismen zu eliminieren, die gegen hohe Temperaturen resistent sind, sowie um einige Texturen und Eigenschaften von Lebensmitteln zu verbessern.
Akustische Energie hat Vorteile, die größtenteils auf ihre begrenzte Reichweite zurückzuführen sind. Zum Beispiel ist es kostengünstig herzustellen und erzeugt keine chemischen oder anderen Abfälle, da es sich schnell im Medium auflöst.
Die akustischen Energiequellen sind zahlreich. Jedes vibrationsfähige Objekt kann zu einer Schallquelle werden.
Bei der Verwendung in medizinischen Anwendungen wie der Ultraschallbildgebung hat es den Vorteil, dass keine ionisierende Strahlung wie Röntgenstrahlen oder Tomographie verwendet wird. Es ist eine Tatsache, dass ionisierende Strahlung Zellschäden verursachen kann.
Seine Verwendung erfordert nicht die Schutzmaßnahmen, die erforderlich sind, wenn ionisierende Strahlung angewendet wird. Ausrüstung ist auch billiger.
Ebenso ist Ultraschallenergie eine nicht-invasive Methode, um die oben genannten Nieren und Gallensteine zu beseitigen und so chirurgische Eingriffe zu vermeiden..
Grundsätzlich verursacht es weder in der Luft noch in den Gewässern eine Verschmutzung. Es ist jedoch bekannt, dass die Meere aufgrund menschlicher Aktivitäten wie intensiver Fischerei, geophysikalischer Prospektion und Transport Lärmbelästigung verursachen..
Es ist schwierig, über die Nachteile nachzudenken, die ein so natürliches Phänomen wie Klang haben kann.
Eines der wenigen ist, dass laute Geräusche die Struktur des Trommelfells beschädigen können, was dazu führt, dass ständig exponierte Personen mit der Zeit ihr Gefühl verlieren..
Sehr laute Umgebungen verursachen Stress und Unbehagen für die Menschen. Ein weiterer Nachteil ist möglicherweise die Tatsache, dass keine akustische Energie zum Bewegen von Objekten verwendet wird, was es sehr schwierig macht, Vibrationen zu nutzen, um feste Objekte zu beeinflussen..
Dies liegt daran, dass Schall immer die Existenz eines Mediums erfordert, um sich ausbreiten zu können, und daher leicht gedämpft werden kann. Das heißt, Schallenergie wird im Medium schneller absorbiert als bei anderen Arten von Wellen, beispielsweise elektromagnetischen Wellen.
Aus diesem Grund ist die Energie von Schallwellen in Luft relativ kurzreichweitig. Schall wird von Strukturen und Objekten absorbiert, während er sich ausbreitet, und seine Energie wird allmählich in Wärme umgewandelt..
Dies hängt natürlich mit der Energieeinsparung zusammen: Energie wird nicht zerstört, sondern verändert ihre Form. Die Schwingungen der Moleküle in der Luft werden nicht nur in Druckänderungen umgewandelt, die zu Schall führen. Vibrationen verursachen auch Wärme.
Wenn Schallwellen beispielsweise auf ein Material wie eine Mauer treffen, wird ein Teil der Energie reflektiert. Ein anderer Teil wird dank der molekularen Schwingung sowohl der Luft als auch des Materials an Wärme abgegeben. und schließlich geht die verbleibende Fraktion durch das Material.
Somit können Schallwellen auf die gleiche Weise reflektiert werden wie Licht. Die Reflexion von Schall wird als "Echo" bezeichnet. Je steifer und gleichmäßiger die Oberfläche ist, desto größer ist die Reflexionsfähigkeit..
In der Tat gibt es Oberflächen, die in der Lage sind, mehrere Reflexionen zu erzeugen, die als bezeichnet werden Nachhall. Normalerweise tritt dies in kleinen Räumen auf und wird durch Platzieren von Isoliermaterial vermieden, so dass sich auf diese Weise die emittierten und reflektierten Wellen nicht überlappen, was das Hören erschwert..
Während ihrer gesamten Ausbreitung erfährt die Schallwelle all diese aufeinanderfolgenden Verluste, bis schließlich die Energie vollständig im Medium absorbiert ist. Das heißt, es wurde in Wärmeenergie umgewandelt.
Es gibt eine Größenordnung, um die Fähigkeit eines Materials zu quantifizieren, Schall zu absorbieren. Es heißt Absorptionskoeffizient. Es wird als α bezeichnet und ist das Verhältnis zwischen dem absorbierte Energie UNDAbs und der einfallende Energie UNDinc, alle beziehen sich auf das betreffende Material. Es wird mathematisch so ausgedrückt:
α = E.Abs/UNDinc
Der Maximalwert von α ist 1 (absorbiert den Schall vollständig) und der Minimalwert ist 0 (lässt den gesamten Schall durch)..
Ton kann in vielen Fällen ein Nachteil sein, wenn Stille bevorzugt wird. Zum Beispiel sind Autos mit Schalldämpfern ausgestattet, um Motorgeräusche zu dämpfen. Auch für andere Geräte wie Wasserpumpen und Kraftwerke.
Schallenergie ist überall. Hier ist ein einfaches Beispiel, das die Eigenschaften von Schall und seine Energie aus quantitativer Sicht veranschaulicht.
Ein Stift mit einer Masse von 0,1 g fällt aus einer Höhe von 1 m. Unter der Annahme, dass 0,05% seiner Energie in einen Schallimpuls mit einer Dauer von 0,1 s umgewandelt werden, schätzen Sie die maximale Entfernung, in der der Pin-Drop zu hören ist. Nehmen Sie als minimale hörbare Schallintensität 10-8 W / mzwei.
Die oben angegebene Gleichung wird für die Intensität des Schalls verwendet:
Eine gute Frage ist, woher in diesem Fall die Schallenergie kommt, deren Intensität das menschliche Ohr erkennt.
Die Antwort liegt in der potentiellen Energie der Gravitation. Gerade weil der Stift aus einer bestimmten Höhe fällt, in der er potentielle Energie hatte, wandelt er diese Energie beim Fallen in kinetische Energie um.
Und sobald es auf den Boden trifft, wird die Energie auf die Luftmoleküle übertragen, die den Ort des Sturzes umgeben, wodurch der Schall entsteht..
Gravitationspotentialenergie ODER es ist:
U = mgh
Wo m ist die Masse des Stifts, G ist die Beschleunigung der Schwerkraft und h ist die Höhe, aus der es gefallen ist. Wenn wir diese numerischen Werte einsetzen, aber nicht bevor wir die entsprechenden Umrechnungen im internationalen Einheitensystem vornehmen, haben wir:
U = 0,1 · 10-3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J.
Die Aussage besagt, dass von dieser Energie nur 0,05% umgewandelt werden, um den Schallimpuls zu erzeugen, dh das Klingeln des Stifts, wenn er auf den Boden trifft. Daher ist die Schallenergie:
UNDKlang= 4,9 x 10-7 J.
Aus der Intensitätsgleichung lösen wir den Radius R. und die Schallenergiewerte E werden ersetztKlang und die Zeit, die der Puls dauerte: 0,1 s gemäß der Aussage.
Daher beträgt die maximale Entfernung, in der der Stiftabfall hörbar ist, 6,24 m in alle Richtungen..
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