אנרגיית הקול: מאפיינים, סוגים, שימושים, יתרונות, דוגמאות - גוּפָנִי - 2025

אנרגית הצליל או אקוסטית כי הוא נושא את גלי קול כפי שהם להפיץ במדיום, אשר עשוי להיות גז כגון אוויר, נוזל או מוצק. בני אדם ובעלי חיים רבים משתמשים באנרגיה אקוסטית כדי ליצור אינטראקציה עם הסביבה.

לשם כך יש להם איברים מיוחדים, למשל מיתרי הקול, המסוגלים לייצר רטט. תנודות אלה מועברות באוויר כדי להגיע לאיברים מיוחדים אחרים האחראים על הפרשנות שלהם.

אנרגיה אקוסטית מתורגמת למוזיקה דרך צליל הקלרינט. מקור: Pixabay

התנודות גורמות לדחיסות והתרחבות רצופות באוויר או במדיום העוטף את המקור, המתפשטות במהירות מסוימת. לא החלקיקים נודדים, אלא שהם פשוט מתנדנדים ביחס למצב שיווי המשקל שלהם. ההפרעה היא מה שמועבר.

כעת, כידוע, לאובייקטים שזזים יש אנרגיה. לפיכך, הגלים בזמן שהם נעים במדיום נושאים עימם גם את האנרגיה הקשורה לתנועת החלקיקים (אנרגיה קינטית), וגם את האנרגיה שיש לאמצעי האמור במהותה, המכונה אנרגיה פוטנציאלית.

מאפיינים

כידוע, לאובייקטים שזזים יש אנרגיה. באופן דומה, הגלים בזמן שהם נעים במדיום, נושאים עימם את האנרגיה הקשורה לתנועת החלקיקים (אנרגיה קינטית) וגם את אנרגיית העיוות של המדיום או האנרגיה הפוטנציאלית.

בהנחה שחלק קטן מאוד של המדיום, שיכול להיות אוויר, לכל חלקיק עם מהירות u, יש אנרגיה קינטית K הניתנת על ידי:

יתר על כן, לחלקיק יש אנרגיה פוטנציאלית U שתלויה בשינוי הנפח שהוא חווה, כאשר Vo הוא הנפח הראשוני, V הוא הנפח הסופי ו- p הוא הלחץ, התלוי במיקום ובזמן:

הסימן השלילי מעיד על עלייה באנרגיה פוטנציאלית, מכיוון שגל ההפצה אכן עובד על אלמנט הנפח dV בעת הדחיסה שלו, הודות ללחץ אקוסטי חיובי.

המסה של יסוד הנוזל מבחינת הצפיפות הראשונית ρ _o והנפח ההתחלתי V _o היא:

ואיך נשמרת המיסה (עיקרון שימור המסה):

לכן סך האנרגיה היא כזו:

חישוב אנרגיה פוטנציאלית

ניתן לפתור את האינטגרל באמצעות עקרון שימור המסה

הנגזרת של קבוע היא 0, כך (ρ V) '= 0. לכן:

אייזק ניוטון קבע כי:

(dp / dρ) = c ²

כאשר c מייצג את מהירות הצליל בנוזל המדובר. על ידי החלפת האמור באינטגרל מתקבלת האנרגיה הפוטנציאלית של המדיום:

אם A _p ו- A _v הם המשרעות של גל הלחץ ומהירות בהתאמה, האנרגיה הממוצעת ε של גל הקול היא:

ניתן לאפיין צליל בכמות הנקראת עוצמה.

עוצמת הצליל מוגדרת כאנרגיה העוברת בשנייה אחת דרך אזור היחידה הניצב לכיוון התפשטות הצליל.

מכיוון שהאנרגיה לזמן יחידה היא הכוח P, עוצמת הצליל אני יכולה לבוא לידי ביטוי כ:

לכל סוג של גל קול יש תדר אופייני ונושא אנרגיה מסוימת. כל זה קובע את התנהגותו האקוסטית. מכיוון שהצליל כה חשוב לחיי אדם, סוגי הצלילים מסווגים לשלוש קבוצות גדולות, על פי טווח התדרים הנשמע לבני אדם:

- אינפרא-סאונד, שתדירותו נמוכה מ- 20 הרץ.

- ספקטרום נשמע, עם תדרים הנעים בין 20 הרץ ל 20,000 הרץ.

- אולטרסאונד, עם תדרים העולים על 20,000 הרץ.

גובה הצליל, כלומר בין שהוא גבוה, נמוך או בינוני, תלוי בתדר. התדרים הנמוכים מתפרשים כצלילי בס, בערך בין 20 ל -400 הרץ.

תדרים בין 400 ל 1600 הרץ נחשבים לביניים, ואילו הגבהים נעים בין 1600 ל 20,000 הרץ. צלילים בגובה בהירים הם קלילים ונוקבים ואילו הבס נתפס כעמוק ומשגשג.

הצלילים שאתה שומע כל יום הם שכבות-על מורכבות של צלילים עם תדרים שונים בסמיכות.

לסאונד יש איכויות שאינן תדר, שיכולות לשמש קריטריונים לסיווגו. דוגמאות להן הן גדר, משך ועוצמה.

אקולייזר מורכב מסננים שמסירים רעש ומשפרים תדרים מסוימים לשיפור איכות הצליל. מקור: Pixabay.

רַעַשׁ

חשוב גם להבדיל בין צלילים מבוקשים לבין צלילים או רעשים לא רצויים. מכיוון שתמיד מבקשים לבטל רעש, הוא מסווג לפי העוצמה והתקופה ב:

- רעש רציף.

- רעש משתנה.

- רעש אימפולסיבי.

או לפי צבעים, המקושרים לתדר שלהם:

- רעש ורוד (בדומה ל"שאהההה ").

- רעש לבן (בדומה ל- "pssssssss").

- רעש חום (מאת רוברט בראון, מגלה התנועה של בראון, הוא רעש שמעדיף מאוד תדרים נמוכים).

יישומים

השימוש שניתן לאנרגיה אקוסטית תלוי בסוג גל הקול המשמש. בטווח הגלים הנשמעים השימוש האוניברסאלי בסאונד הוא לאפשר תקשורת קרובה, לא רק בין בני אדם, מכיוון שבעלי החיים מתקשרים גם הם באמצעות פליטת צלילים.

הצלילים מגוונים. כל אחד שונה בהתאם למקור שפולט אותו. באופן זה מגוון הצלילים בטבע הוא אינסופי: כל קול אנושי שונה, כמו גם הצלילים האופייניים בהם מינים של בעלי חיים משתמשים כדי לתקשר זה עם זה.

בעלי חיים רבים משתמשים באנרגיה של צליל בכדי לאתר את עצמם בחלל וגם בכדי לתפוס את טרפם. הם פולטים אותות אקוסטיים ויש להם אברי קולטן המנתחים את האותות המשתקפים. בדרך זו הם מקבלים מידע על מרחקים.

לבני אדם חסרים האיברים הדרושים בכדי להשתמש באנרגיה קולנית בדרך זו. עם זאת, הם יצרו מכשירי כיוון כמו סונאר, המבוססים על אותם עקרונות, כדי להקל על הניווט.

מצד שני, אולטרסאונד הם גלי קול שיישומיהם ידועים. ברפואה הם משמשים לקבלת תמונות של פנים גוף האדם. הם גם חלק מהטיפול במצבים מסוימים כמו לובגו ודלקת בגידים.

כמה יישומים של אנרגיה אקוסטית

- בעזרת אולטראסאונד אנרגיה גבוהה ניתן להרוס אבנים או חישובים הנוצרים בכליות ובכיס המרה עקב משקעים של מלחים מינרלים באיברים אלה.

- בגיאופיזיקה משתמשים באולטרסאונד כשיטות חיפוש. עקרונותיה דומים לאלה של שיטות סייסמיות. ניתן להשתמש בהם ביישומים שנעים בין קביעת צורת האוקיאנוס לתבליט וכלה בחישוב מודולי אלסטי.

- בטכנולוגיית המזון הם משמשים לחיסול מיקרואורגניזמים עמידים לטמפרטורות גבוהות, כמו גם לשיפור מרקמים ואיכויות מזון.

יתרון

לאנרגיה אקוסטית יתרונות הנובעים במידה רבה מהטווח הקצר שלה. לדוגמה, זה לא יקר לייצר ואינו מייצר פסולת כימית או אחרת, מכיוון שהוא מתפזר במהירות במדיום.

באשר למקורות האנרגיה האקוסטית, הם רבים. כל אובייקט המסוגל לרטוט יכול להפוך למקור של צליל.

כאשר משתמשים בו ביישומים רפואיים, כמו הדמיית אולטרסאונד, יש לו את היתרון בכך שלא להשתמש בקרינה מייננת, כמו צילומי רנטגן או טומוגרפיה. עובדה שקרינה מייננת עלולה לגרום נזק לתאים.

השימוש בה אינו מחייב את אמצעי ההגנה הנחוצים בעת הפעלת קרינה מייננת. הערכות גם זולות יותר.

כמו כן, אנרגיה קולית היא שיטה לא פולשנית למיגור הכליות ואבני המרה הנזכרות, ובכך להימנע מהליכים כירורגיים.

באופן עקרוני זה לא מייצר זיהום לא באוויר ולא במים. אבל ידוע שיש זיהום רעש בים, שנגרם כתוצאה מפעילות אנושית כמו דיג אינטנסיבי, חיפוש גיאופיזי ותחבורה.

חסרונות

קשה לחשוב על החסרונות שיש לתופעה טבעית כמו צליל.

אחד הבודדים הוא שצלילים רועשים עלולים לפגוע במבנה עור התוף, ועם הזמן לגרום לאנשים שנחשפים ברציפות לאבד את התחושה שלהם.

סביבות רועשות מאוד גורמות בסופו של דבר ללחץ ואי נוחות אצל אנשים. חסרון נוסף הוא אולי העובדה שאנרגיה אקוסטית אינה משמשת להזזת חפצים, מה שמקשה מאוד על ניצול הרטט כדי להשפיע על עצמים מוצקים.

הסיבה לכך היא שהצליל מחייב תמיד קיומו של מדיום כדי להיות מסוגל להפיץ, ולכן הוא נחלש בקלות. במילים אחרות, אנרגיית הקול נספגת במדיום במהירות רבה יותר מזו של סוגים אחרים של גלים, למשל אלקטרומגנטיים.

מסיבה זו האנרגיה של גלי קול היא יחסית לטווח קצר באוויר. הצליל נקלט על ידי מבנים ואובייקטים בזמן שהוא מתפשט, והאנרגיה שלו מתפוגגת בהדרגה לחום.

כמובן שזה קשור לשימור האנרגיה: אנרגיה לא נהרסת אלא משנה צורה. התנודות של המולקולות באוויר לא הופכות רק לשינויי לחץ שמולידים צליל. הרטט גם מוליד חום.

ספיגת קול בחומרים

כאשר גלי קול פוגעים בחומר כמו קיר לבנים, למשל, משתקף חלק מהאנרגיה. חלק אחר מתפזר בחום, בזכות הרטט המולקולרי של האוויר והחומר כאחד; ולבסוף השבר שנותר עובר בחומר.

לפיכך, גלי הקול יכולים להשתקף באותו אופן בו האור עושה. השתקפות הצליל מכונה "הד". ככל שהמשטח נוקשה ואחיד יותר, כך יכולת ההשתקפות גדולה יותר.

למעשה, ישנם משטחים המסוגלים לייצר השתקפויות מרובות הנקראות הדהוד. בדרך כלל זה מתרחש בחללים קטנים ונמנע על ידי הצבת חומר בידוד, כך שבדרך זו הגלים הנפלטים והמשתקפים אינם חופפים, ומקשים על השמיעה.

במהלך כל התפשטותו, הגל האקוסטי יחווה את כל ההפסדים הרצופים הללו עד שלבסוף האנרגיה נספגת לחלוטין במדיום. מה שאומר שהוא הפך לאנרגיית חום.

יש גודל לכמת את יכולתו של חומר לקלוט צליל. זה נקרא מקדם הקליטה. זה נקרא α, וזה היחס בין האנרגיה _הספוגה E _abs לבין האנרגיה האירוע E _inc , הכל מתייחס לחומר המדובר. זה בא לידי ביטוי באופן מתמטי כך:

α = E _abs / E _inc

הערך המרבי של α הוא 1 (סופג צליל לחלוטין) והמינימום הוא 0 (מאפשר לכל הצליל לעבור).

צליל יכול להוות חיסרון בהזדמנויות רבות כאשר עדיף שתיקה. לדוגמא, מכוניות מצוידות במשתיק קול כדי להרטיב את רעשי המנוע. גם למכשירים אחרים כמו משאבות מים ותחנות כוח.

בידוד קול חשוב באולפן הקלטות. מקור: Pixabay.

דוגמאות לאנרגיית צליל

אנרגיית הקול נמצאת בכל מקום. להלן דוגמא פשוטה הממחישה את תכונות הצליל ואת האנרגיה שלו מנקודת מבט כמותית.

התרגיל נפתר

סיכה של מסה 0.1 גרם נופלת מגובה של 1 מ '. בהנחה ש- 0.05% מהאנרגיה שלו מומרים לפולס צליל שנמשך 0.1 שניות, העריך את המרחק המרבי בו ניתן לשמוע את טיפת הסיכה. קח כעוצמת הקול המינימלית הנשמעת 10 - ⁸ W / m ² .

פִּתָרוֹן

המשוואה שניתנה לעיל תשמש לעוצמת הצליל:

שאלה טובה היא מאיפה אנרגיית הצליל מגיעה במקרה זה, שעוצמת האוזן האנושית שלו מזהה.

התשובה היא באנרגיה פוטנציאלית כבידה. בדיוק מכיוון שהסיכה נופלת מגובה מסוים, שבו הייתה לו אנרגיה פוטנציאלית, בזמן שהיא נופלת, היא הופכת אנרגיה זו לאנרגיה קינטית.

ברגע שהיא פוגעת בקרקע, האנרגיה מועברת למולקולות האוויר המקיפות את אתר ההתרסקות, ומולידה את הצליל.

אנרגיית הכוח U הפוטנציאלית היא:

כאשר m הוא מסה של הסיכה, g הוא האצת הכובד, ו- h הוא הגובה ממנו נפל. החלפת ערכים מספריים אלה, אך לא לפני ביצוע ההמרות המתאימות במערכת היחידות הבינלאומית, יש לנו:

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

בהצהרה נאמר כי מתוך אנרגיה זו, רק 0,05% הופכים כדי להצמיח את דופק הקול, כלומר לציוץ הסיכה כאשר הוא פוגע ברצפה. לכן אנרגיית הקול היא:

_צליל E = 4.9 x 10 ^-7 J

ממשוואת העוצמה, רדיוס R מנוקה והערכים של צליל E של אנרגיית _הקול והחלף הזמן בו נמשך הדופק: 0.1 שניות על פי ההצהרה.

לפיכך המרחק המקסימאלי בו נשמע ירידת הסיכה הוא 6.24 מ 'לכל הכיוונים.

הפניות

1. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. המהדורה השישית. אולם פרנטיס. 332-359.
2. קינסלר, ל. (2000). יסודות אקוסטיים. המהדורה הרביעית וויילי ובניו. 124-125.