SES ENERJISI: ÖZELLIKLER, TÜRLERI, KULLANIMLARI, AVANTAJLARI, ÖRNEKLERI - FIZIKSEL - 2024

Ses enerjisi veya örneğin hava, sıvı ya da katı halde bir gaz olabilecek bir ortam içinde yayılması olarak ses dalgaları taşıyan akustik. İnsanlar ve birçok hayvan, çevre ile etkileşim kurmak için akustik enerji kullanır.

Bunun için ses telleri gibi titreşim üretebilen özel organlara sahipler. Bu titreşimler, yorumlanmasından sorumlu diğer uzman organlara ulaşmak için havada taşınır.

Akustik enerji, klarnet sesiyle müziğe çevrilir. Kaynak: Pixabay

Titreşimler, havada veya kaynağı çevreleyen ortamda belirli bir hızla yayılan art arda sıkışmalara ve genişlemelere neden olur. Hareket eden parçacıklar değildir, ancak denge konumlarına göre salınırlar. Rahatsızlık iletilen şeydir.

Artık bilindiği gibi hareket eden nesnelerin enerjisi var. Bu nedenle, dalgalar ortam içinde hareket ederken yanlarında parçacıkların hareketi ile ilişkili enerjiyi (kinetik enerji) ve aynı zamanda söz konusu ortamın özünde sahip olduğu potansiyel enerji olarak bilinen enerjiyi de taşır.

karakteristikleri

Bilindiği gibi hareket eden nesnelerin enerjisi vardır. Aynı şekilde, dalgalar ortamda hareket ederken, kendileriyle birlikte parçacıkların hareketiyle ilişkili enerjiyi (kinetik enerji) ve ayrıca ortamın deformasyon enerjisini veya potansiyel enerjiyi taşır.

Ortamın çok küçük bir kısmının hava olabileceği varsayılarak, u hızına sahip her parçacık aşağıdaki şekilde verilen kinetik enerjiye K sahiptir:

Ek olarak, parçacık, yaşadığı hacimdeki değişime bağlı potansiyel enerjiye U sahiptir; burada Vo başlangıç ​​hacimdir, V son hacimdir ve p, konuma ve zamana bağlı olan basınçtır:

Negatif işaret, pozitif akustik basınç sayesinde, yayılan dalga sıkıştırırken hacim elemanı dV üzerinde çalıştığından, potansiyel enerjide bir artış olduğunu gösterir.

Başlangıç ​​yoğunluğu ρ _o ve ilk hacim V _o cinsinden akışkan elementin kütlesi :

Ve kütlenin nasıl korunduğu (kütlenin korunumu ilkesi):

Bu nedenle toplam enerji şu şekildedir:

Potansiyel enerjinin hesaplanması

İntegral, kütlenin korunumu ilkesi kullanılarak çözülebilir

Bir sabitin türevi 0'dır, dolayısıyla (ρ V) '= 0'dır. Bu nedenle:

Isaac Newton şunu belirledi:

(dp / dρ) = c ²

C söz konusu sıvıdaki sesin hızını temsil eder. Yukarıdakileri integralde değiştirerek, ortamın potansiyel enerjisi elde edilir:

A _p ve A _v sırasıyla basınç dalgası ve hızının genlikleri ise, ses dalgasının ortalama enerjisi ε:

Ses, yoğunluk adı verilen bir nicelikle karakterize edilebilir.

Sesin yoğunluğu, sesin yayılma yönüne dik olan birim alandan bir saniyede geçen enerji olarak tanımlanır.

Birim zamandaki enerji P gücü olduğundan, sesin yoğunluğu şu şekilde ifade edilebilir:

Her ses dalgası türünün karakteristik bir frekansı vardır ve belirli bir enerji taşır. Bütün bunlar onun akustik davranışını belirler. Ses insan yaşamı için çok önemli olduğundan, insanlar tarafından duyulabilen frekans aralığına göre ses türleri üç büyük gruba ayrılır:

- Frekansı 20 Hz'den az olan infrasound.

- 20 Hz ile 20.000 Hz arasında değişen frekanslara sahip sesli spektrum.

- 20.000 Hz'den büyük frekanslara sahip ultrason.

Bir sesin perdesi, yani yüksek, düşük veya orta olması, frekansa bağlıdır. Daha düşük frekanslar, yaklaşık 20 ila 400 Hz arasında bas sesleri olarak yorumlanır.

400 ile 1600 Hz arasındaki frekanslar orta ton olarak kabul edilirken, yüksekler 1600 ile 20.000 Hz arasındadır. Yüksek tiz sesler hafif ve delicidir, bas ise daha derin ve gürleyen olarak algılanır.

Her gün duyduğunuz sesler, yakın çevrede çeşitli frekanslara sahip karmaşık ses katmanlarıdır.

Ses, frekans dışında, sınıflandırılması için kriter olarak hizmet edebilecek niteliklere sahiptir. Bunların örnekleri tını, süre ve yoğunluktur.

Ekolayzer, gürültüyü gideren ve ses kalitesini iyileştirmek için belirli frekansları artıran filtrelerden oluşur. Kaynak: Pixabay.

gürültü, ses

İstenilen sesler ile istenmeyen sesler veya gürültü arasında ayrım yapmak da önemlidir. Gürültü her zaman ortadan kaldırılmak istendiğinden, yoğunluk ve döneme göre sınıflandırılır:

- Sürekli gürültü.

- Dalgalı gürültü.

- Dürtüsel gürültü.

Veya frekanslarına bağlı olarak renklere göre:

- Pembe gürültü ("shhhhhh" e benzer).

- Beyaz gürültü ("psssssss" e benzer).

- Brown gürültüsü (Brownian hareketini keşfeden Robert Brown tarafından, düşük frekansları büyük ölçüde destekleyen bir gürültüdür).

Uygulamalar

Akustik enerjiye verilen kullanım, kullanılan ses dalgasının türüne bağlıdır. Duyulabilir dalgalar aralığında, sesin evrensel kullanımı sadece insanlar arasında değil, hayvanlar da sesler yayarak iletişim kurdukları için yakın iletişime izin vermektir.

Sesler çok yönlü. Her biri, onu yayan kaynağa göre farklılık gösterir. Bu şekilde doğadaki seslerin çeşitliliği sonsuzdur: her insan sesi farklıdır ve aynı zamanda hayvan türlerinin birbirleriyle iletişim kurmak için kullandıkları karakteristik sesler de farklıdır.

Birçok hayvan, kendilerini uzaya yerleştirmek ve ayrıca avlarını yakalamak için ses enerjisini kullanır. Akustik sinyaller yayarlar ve yansıyan sinyalleri analiz eden alıcı organlara sahiptirler. Bu şekilde mesafeler hakkında bilgi edinirler.

İnsan, sonik enerjiyi bu şekilde kullanmak için gerekli organlardan yoksundur. Bununla birlikte, navigasyonu kolaylaştırmak için aynı ilkelere dayanarak sonar gibi yönlendirme cihazları oluşturdular.

Öte yandan ultrasonlar, uygulamaları iyi bilinen ses dalgalarıdır. Tıpta insan vücudunun iç görüntülerini elde etmek için kullanılırlar. Ayrıca lumbago ve tendinit gibi bazı durumların tedavisinin bir parçasıdırlar.

Bazı akustik enerji uygulamaları

- Yüksek enerjili ultrason ile böbreklerde ve safra kesesinde oluşan taş veya taş, bu organlarda mineral tuzların çökelmesi nedeniyle yok edilebilir.

- Jeofizikte ultrason arama yöntemi olarak kullanılmaktadır. Prensipleri sismik yöntemlere benzer. Okyanusun şeklinin belirlenmesinden rölyefe, elastik modüllerin hesaplanmasına kadar çeşitli uygulamalarda kullanılabilirler.

- Gıda teknolojisinde, yüksek sıcaklıklara dirençli mikroorganizmaları yok etmek için, ayrıca gıdanın bazı doku ve niteliklerini iyileştirmek için kullanılırlar.

avantaj

Akustik enerjinin, büyük ölçüde kısa menzilinden kaynaklanan avantajları vardır. Örneğin, ortamda hızlı bir şekilde dağıldığı için üretimi ucuzdur ve kimyasal veya diğer atıkları oluşturmaz.

Akustik enerji kaynaklarına gelince, bunlar çoktur. Titreşebilen herhangi bir nesne bir ses kaynağı olabilir.

Ultrason görüntüleme gibi tıbbi uygulamalarda kullanıldığında, x-ışınları veya tomografi gibi iyonlaştırıcı radyasyon kullanmama avantajına sahiptir. İyonlaştırıcı radyasyonun hücre hasarına neden olabileceği bir gerçektir.

İyonlaştırıcı radyasyon uygulandığında kullanılması gereken koruma önlemlerini gerektirmez. Kitler de daha ucuzdur.

Aynı şekilde, ultrasonik enerji, yukarıda belirtilen böbrek ve safra taşlarını ortadan kaldırmak için invazif olmayan bir yöntemdir, böylece cerrahi prosedürlerden kaçınır.

Prensip olarak ne havada ne de sularda kirlilik oluşturmaz. Ancak denizlerde yoğun balıkçılık, jeofizik arama ve ulaşım gibi insan faaliyetlerinden kaynaklanan gürültü kirliliği olduğu bilinmektedir.

Dezavantajları

Ses kadar doğal bir olgunun sahip olabileceği dezavantajları düşünmek zordur.

Bunlardan biri, yüksek seslerin kulak zarının yapısına zarar vermesi ve zamanla sürekli maruz kalan insanların hislerini kaybetmelerine neden olmasıdır.

Çok gürültülü ortamlar insanlarda strese ve rahatsızlığa neden olur. Diğer bir dezavantaj, belki de akustik enerjinin nesneleri hareket ettirmek için kullanılmamasıdır, bu da katı nesneleri etkilemek için titreşimlerden yararlanmayı çok zorlaştırır.

Bunun nedeni, sesin yayılabilmesi için her zaman bir ortamın varlığını gerektirmesi ve bu nedenle kolayca zayıflatılabilmesidir. Başka bir deyişle, ses enerjisi ortamda diğer dalga türlerinden, örneğin elektromanyetik dalgalardan daha hızlı emilir.

Bu nedenle, ses dalgalarının enerjisi havada nispeten kısa menzilli. Ses, yayılırken yapılar ve nesneler tarafından emilir ve enerjisi kademeli olarak ısıya yayılır.

Elbette bu, enerjinin korunumu ile ilgilidir: enerji yok edilmez, şekil değiştirir. Havadaki moleküllerin titreşimleri sadece sese neden olan basınç değişikliklerine dönüştürülmez. Titreşimler de ısıya neden olur.

Malzemelerde ses emilimi

Örneğin, ses dalgaları tuğla duvar gibi bir malzemeye çarptığında enerjinin bir kısmı yansıtılır. Diğer bir kısım, hem havanın hem de malzemenin moleküler titreşimi sayesinde ısıda dağılır; ve son olarak kalan kısım malzemeden geçer.

Böylece ses dalgaları, ışıkla aynı şekilde yansıtılabilir. Sesin yansıması "yankı" olarak bilinir. Yüzey ne kadar sert ve tekdüze olursa, yansıtma yeteneği o kadar artar.

Aslında, yankılanma adı verilen çoklu yansıma üretebilen yüzeyler vardır. Bu genellikle küçük alanlarda meydana gelir ve yalıtım malzemesi yerleştirilerek engellenir, böylece yayılan ve yansıyan dalgalar üst üste binmez ve işitmeyi zorlaştırır.

Tüm yayılımı sırasında, akustik dalga tüm bu ardışık kayıpları, sonunda enerji ortamda tamamen emilene kadar deneyimleyecektir. Bu, ısı enerjisine dönüştürüldüğü anlamına gelir.

Bir malzemenin sesi absorbe etme kabiliyetini ölçmek için bir büyüklük vardır. Emilim katsayısı denir. Α olarak belirtilir ve emilen enerji E _abs ile gelen enerji E _inc arasındaki orandır , tümü söz konusu malzemeye atıfta bulunur. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

α = E _abs / E _inc

Maksimum α değeri 1'dir (sesi tamamen emer) ve minimum 0'dır (tüm sesin geçmesine izin verir).

Sessizliğin tercih edildiği birçok durumda ses bir dezavantaj olabilir. Örneğin, arabalara motor seslerini azaltmak için susturucular takılmıştır. Su pompaları ve enerji santralleri gibi diğer cihazlara da.

Bir kayıt stüdyosunda ses yalıtımı önemlidir. Kaynak: Pixabay.

Ses enerjisi örnekleri

Ses enerjisi her yerde. İşte sesin özelliklerini ve enerjisini nicel bir bakış açısıyla gösteren basit bir örnek.

Egzersiz çözüldü

0.1 g kütleli bir pim, 1m yükseklikten düşer. Enerjisinin% 0.05'inin 0.1 sn süreli bir ses darbesine dönüştürüldüğünü varsayarsak, pimin düşmesinin duyulabileceği maksimum mesafeyi tahmin edin. En az duyulabilir ses yoğunluğu 10 edildiği gibi alın ^-8 W / m ² .

Çözüm

Yukarıda verilen denklem sesin yoğunluğu için kullanılacaktır:

İyi bir soru, bu durumda ses enerjisinin nereden geldiği, insan kulağının yoğunluğunu algıladığı şeydir.

Cevap yerçekimi potansiyel enerjisinde. Kesin olarak, pim potansiyel enerjiye sahip olduğu belirli bir yükseklikten düştüğü için düşerken bu enerjiyi kinetik enerjiye dönüştürür.

Ve yere çarptığında, enerji çarpışma bölgesini çevreleyen hava moleküllerine aktarılır ve sese neden olur.

Yerçekimi potansiyel enerjisi U:

M, pimin kütlesi olduğunda, g yerçekiminin ivmesidir ve h, düştüğü yüksekliktir. Bu sayısal değerleri ikame ederek, ancak Uluslararası Birim Sisteminde karşılık gelen dönüşümleri yapmadan önce, bizde:

U = 0.1 x 10 ^-3 x 9,8 x, 1 J = 0.00098 J

Açıklama, bu enerjinin yalnızca% 0,05'inin ses darbesine, yani yere çarptığında pinin çınlamasına neden olacak şekilde dönüştürüldüğünü söylüyor. Bu nedenle ses enerjisi:

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

Yoğunluk denkleminden, yarıçap R temizlenir ve ses enerjisi E _sesinin değerleri ve darbenin sürdüğü süre ikame edilir : ifadeye göre 0,1 sn.

Bu nedenle, pim düşmesinin duyulabileceği maksimum mesafe tüm yönlerde 6,24 m'dir.

Referanslar

1. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. Altıncı Baskı. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Akustiğin Temelleri. 4. Baskı Wiley & Sons. 124-125.