SCHALLENERGIE: EIGENSCHAFTEN, TYPEN, VERWENDUNGEN, VORTEILE, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2025

Die Schallenergie oder Akustik, die die Schallwellen trägt, 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.

Akustische Energie wird durch den Klang der Klarinette in Musik umgewandelt. Quelle: Pixabay

Die Vibrationen verursachen aufeinanderfolgende Kompressionen und Ausdehnungen in der Luft oder dem Medium, das die Quelle umgibt, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten. Es sind nicht die Teilchen, die sich fortbewegen, sondern sie schwingen einfach in Bezug auf ihre Gleichgewichtsposition. Die Störung wird übertragen.

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 dieses Medium an sich besitzt, die als potentielle Energie bekannt ist.

Eigenschaften

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 Energie der Verformung des Mediums oder die potentielle Energie.

Unter der Annahme, dass ein sehr kleiner Teil des Mediums, der Luft sein kann, jedes Teilchen mit der Geschwindigkeit u eine kinetische Energie K hat, die gegeben ist durch:

Darüber hinaus hat das Teilchen eine potentielle Energie U, die von der Volumenänderung abhängt, die es erfährt, wobei Vo das Anfangsvolumen ist, V das Endvolumen ist und p der Druck ist, der von Position und Zeit abhängt:

Das negative Vorzeichen zeigt einen Anstieg der potentiellen Energie an, da die sich ausbreitende Welle beim Komprimieren dank eines positiven Schalldrucks auf das Volumenelement dV wirkt.

Die Masse des Fluidelements in Bezug auf die Anfangsdichte ρ _o und dem Anfangsvolumen V _o ist:

Und wie die Masse erhalten bleibt (Prinzip der Massenerhaltung):

Daher ist die Gesamtenergie wie folgt:

Potenzielle Energie berechnen

Das Integral kann nach dem Prinzip der Massenerhaltung gelöst werden

Die Ableitung einer Konstanten ist 0, also (ρ V) '= 0. Deshalb:

Isaac Newton stellte fest, dass:

(dp / dρ) = c ²

Dabei steht c für die Schallgeschwindigkeit in der betreffenden Flüssigkeit. Durch Einsetzen des obigen in das Integral wird die potentielle Energie des Mediums erhalten:

Wenn A _p und A _v die Amplituden der Druckwelle bzw. der Geschwindigkeit sind, beträgt die durchschnittliche Energie ε der Schallwelle:

Schall kann durch eine als Intensität bezeichnete Größe charakterisiert werden.

Die Schallintensität ist definiert als die Energie, die in einer Sekunde durch die Einheitsfläche senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung fließt.

Da die Energie pro Zeiteinheit die Leistung P ist, kann die Schallintensität I 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. Die niedrigeren 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 Klänge 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.

Der Equalizer besteht aus Filtern, die Rauschen entfernen und bestimmte Frequenzen anheben, um die Klangqualität zu verbessern. Quelle: Pixabay.

Lärm

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 Periode klassifiziert in:

- 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 ein Rauschen, das niedrige Frequenzen stark bevorzugt).

Anwendungen

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 Entfernungen.

Dem Menschen fehlen die Organe, um auf diese Weise Schallenergie 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.

Einige Anwendungen von akustischer Energie

- Mit energiereichem Ultraschall können Steine ​​oder Steine, die sich in den Nieren und in der Gallenblase bilden, durch die Ausfällung von Mineralsalzen in diesen Organen zerstört werden.

- In der Geophysik wird Ultraschall als Prospektionsmethode verwendet. 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 gegen hohe Temperaturen resistente Mikroorganismen zu eliminieren und einige Texturen und Eigenschaften von Lebensmitteln zu verbessern.

Vorteil

Akustische Energie hat Vorteile, die hauptsächlich auf ihre kurze 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. Die Kits sind 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 es in den Meeren Lärmbelästigungen gibt, die durch menschliche Aktivitäten wie intensive Fischerei, geophysikalische Prospektion und Transport verursacht werden.

Nachteile

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 und schließlich dazu führen können, dass ständig exponierte Personen ihr Gefühl verlieren.

Sehr laute Umgebungen verursachen Stress und Unbehagen bei 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. Mit anderen Worten, Schallenergie wird im Medium schneller absorbiert als bei anderen Arten von Wellen, beispielsweise elektromagnetischen.

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.

Schallabsorption in Materialien

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.

Tatsächlich gibt es Oberflächen, die mehrere Reflexionen erzeugen können, die als Nachhall bezeichnet werden. 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 der absorbierten Energie E _abs und der einfallenden Energie E _inc , die sich alle auf das betreffende Material beziehen. Es wird mathematisch so ausgedrückt:

α = E _abs / E _inc

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.

Die Schalldämmung ist in einem Aufnahmestudio wichtig. Quelle: Pixabay.

Beispiele für Schallenergie

Schallenergie ist überall. Hier ist ein einfaches Beispiel, das die Eigenschaften von Schall und seine Energie aus quantitativer Sicht veranschaulicht.

Übung gelöst

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 Tropfen des Stifts zu hören ist. Nehmen Sie als minimale hörbare Schallintensität 10 ^-8 W / m ² .

Lösung

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 die Absturzstelle umgeben, wodurch der Schall entsteht.

Die potentielle Gravitationsenergie U ist:

Dabei ist m die Masse des Stifts, g die Erdbeschleunigung und h die Höhe, aus der er 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 × 9,8 × 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:

E- _Ton = 4,9 x 10 ^-7 J.

Aus der Intensität Gleichung wird der Radius R gelöscht , und die Werte der Schallenergie E _Ton und die Zeit , die der Impuls dauerten substituiert : 0,1 s nach der Aussage.

Daher beträgt die maximale Entfernung, bei der der Stiftabfall hörbar ist, 6,24 m in alle Richtungen.

Verweise

1. Giancoli, D. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. Sechste Ausgabe. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Grundlagen der Akustik. 4. Aufl. Wiley & Sons. 124-125.