Caractéristiques d'énergie saines, types, utilisations, avantages, exemples

La Énergie sonore o L'acoustique est celle qui transporte des ondes sonores lorsqu'elles se propagent dans un milieu, qui peut être un gaz tel que l'air, un liquide ou un solide. Les êtres humains et de nombreux animaux utilisent l'énergie acoustique pour se rapporter à l'environnement.

Pour cela, ils ont des organes spécialisés, par exemple des cordons vocaux, capables de produire des vibrations. Ces vibrations sont transportées dans l'air pour atteindre d'autres organes spécialisés responsables de leur interprétation.

L'énergie acoustique se traduit par de la musique à travers le son de clarinette. Source: Pixabay

Les vibrations provoquent des compressions et des extensions successives dans l'air ou le milieu entourant la source, qui se propagent avec une certaine vitesse. Ce ne sont pas les particules qui voyagent, mais sont limitées à osciller par rapport à leur position d'équilibre. La perturbation est ce qui est transmis.

Maintenant, comme on le sait, les objets qui se déplacent ont de l'énergie. Ainsi, aussi les vagues lorsqu'ils voyagent au milieu emportent avec eux l'énergie associée au mouvement des particules (énergie cinétique), ainsi que l'énergie qui a intrinsèquement dit le milieu, connu sous le nom d'énergie potentielle.

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Caractéristiques

Comme on le sait, les objets qui se déplacent ont de l'énergie. Ainsi, les vagues lorsqu'ils voyagent au milieu, emportent avec eux l'énergie associée au mouvement des particules (énergie cinétique) ainsi que l'énergie de déformation de l'environnement ou de l'énergie potentiel.

En supposant une très petite partie du milieu, qui peut être l'air, chaque particule à la vitesse ou, Il a de l'énergie cinétique K donné par:

K = ½ mu²

De plus, la particule a une énergie potentielle OU qui dépend du changement de volume qu'il éprouve, étant Vo Le volume initial, V Le volume final et p La pression, qui dépend de la position et du temps:

Le signe négatif indique une augmentation de l'énergie potentielle, car la vague par propagation fonctionne sur l'élément de volume Dv Lors de la compression, grâce à une pression acoustique positive.

La masse de l'élément fluide en termes de densité initiale ρ_soit Et le volume initial V_soit est:

m_soit= ρ_soitV_soit

Et comme la pâte est préservée (principe de conservation de masse):

ρv = ρ_soitV_soit = constant

Par conséquent, l'énergie totale reste la suivante:

Calcul de l'énergie potentielle

L'intégrale peut être résolue avec l'aide du principe de la conservation de masse

m_soit = m_F

Le dérivé d'une constante est 0, donc (ρV) ' = 0. Donc:

Dv = (-v / ρ) dρ

Isaac Newton a déterminé que:

(dp / dρ) = c²

Où c représente la vitesse du son dans le liquide en question. En remplaçant ce qui précède, l'énergie potentielle du milieu est obtenue:

Enfin, l'énergie acoustique totale d'un élément de volume est exprimée:

Pour une vague plate, il est vrai que: P =  ± (ρc) u, Par conséquent, l'énergie reste:

Comme toujours, l'énergie est mesurée en joules, dans le système international. Il est facile de vérifier que le résultat précédent a des dimensions d'énergie (n.M = Joule).

Oui_p déjà_V Ce sont respectivement les amplitudes de la pression et de l'onde de vitesse, l'énergie moyenne ε de l'onde sonore est:

Intensité sonore

Le son peut être caractérisé par une ampleur appelée intensité.

L'intensité du son est définie comme l'énergie qui se produit dans une seconde à travers l'unité de surface qui est perpendiculaire à la direction de propagation du son.

Comme l'énergie par unité de temps est la puissance P, L'intensité du son Toi Il peut être exprimé comme:

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Où ET est l'énergie moyenne, POUR est la zone et t C'est le moment. Si une surface sphérique de Radio R est censée entourer le Sonora Fuente, dont la zone est 4πr², L'intensité du son reste:

Gars

Chaque type d'onde sonore a une fréquence caractéristique et porte une certaine énergie. Tout cela détermine son comportement acoustique. Comme le son est si important pour la vie humaine, les types de sons sont classés en trois grands groupes, selon la gamme de fréquences audible pour les humains:

- Infrasonido, dont la fréquence est inférieure à 20 Hz.

- Spectre audible, avec des fréquences allant de 20 h à 20.000 Hz.

- Échographie, avec des fréquences supérieures à 20.000 Hz.

Le ton d'un son, c'est-à-dire s'il est aigu, sérieux ou moyen, dépend de la fréquence. Les fréquences les plus basses sont interprétées comme des sons graves, entre 20 et 400 Hz.

Les fréquences comprises entre 400 et 1600 Hz sont considérées comme des tons moyens, tandis que la vive varie de 1600 à 20.000 Hz. Les sons aigus sont légers et pénétrants, tandis que les basses sont perçues comme plus profondes et en retard.

Les sons qui sont entendus quotidiennement sont des superpositions complexes de sons avec diverses fréquences suivantes.

Le son a d'autres qualités en dehors de la fréquence, qui peut servir de critère pour leur classification. Exemple d'entre eux sont la cloche, la durée et l'intensité.

L'égaliseur se compose de filtres qui éliminent le bruit et améliorent certaines fréquences pour améliorer la qualité sonore. Source: Pixabay.

Le bruit

Il est également important de faire la distinction entre les sons ou le bruit souhaités et indésirables. Puisqu'il cherche toujours à éliminer le bruit, cela est classé en fonction de l'intensité et de la période dans:

- Bruit continu.

- Bruit fluctuant.

- Bruit impulsif.

Ou par des couleurs, liées à sa fréquence:

- Bruit rose (similaire à un "Shhhhhh»).

- Bruit blanc (similaire à un "PSSSSSS»).

- Brown Noise (de Robert Brown, le découvreur du mouvement brownien, est un bruit qui favorise grandement les basses fréquences).

Applications

L'utilisation donnée à l'énergie acoustique dépend du type d'onde sonore utilisée. Dans la gamme des vagues audibles, l'utilisation universelle du son est de permettre une communication étroite, non seulement entre les personnes, car les animaux communiquent également.

Les sons sont polyvalents. Chacun diffère selon la source qui l'émet. De cette façon, la variété des sons dans la nature est infinie: chaque voix humaine est différente, ainsi que les sons caractéristiques que les espèces animales utilisent pour communiquer les uns avec les autres.

De nombreux animaux utilisent une énergie sonore pour être située dans l'espace et aussi pour capturer leurs proies. Ils émettent des signaux acoustiques et ont des organes récepteurs qui analysent les signaux réfléchis. De cette façon, ils obtiennent des informations sur les distances.

Les êtres humains n'ont pas les organes nécessaires pour utiliser l'énergie sonore de cette manière. Cependant, ils ont créé des dispositifs d'orientation tels que Sónar, sur la base de ces mêmes principes, pour faciliter la navigation.

D'un autre côté, les échographies sont des ondes sonores dont les applications sont bien connues. En médecine, ils sont utilisés pour obtenir des images à l'intérieur du corps humain. Ils font également partie du traitement de certaines conditions telles que le lumbago et la tendonite.

Quelques applications de l'énergie acoustique

- Avec des échographies à haute énergie, des pierres ou des calculs qui se forment dans les reins et la vésicule biliaire peuvent être détruites en raison de la précipitation des sels minéraux dans ces organes.

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- En géophysique, les échographies sont utilisées comme méthodes de prospection. Ses principes sont similaires à ceux des méthodes sismiques. Ils peuvent être utilisés dans des applications qui vont de la détermination de la forme du soulagement océanique aux témoins pour calculer les modules élastiques.

- En technologie alimentaire, ils sont utilisés pour éliminer les micro-organismes résistants aux températures élevées, ainsi que pour améliorer certaines textures et qualités alimentaires.

avantage

L'énergie acoustique présente des avantages qui sont dus en grande partie à sa faible portée. Par exemple, il n'est pas coûteux à produire et ne génère pas de types chimiques ou autres, car il se dissipe rapidement au milieu.

Quant aux sources d'énergie acoustique, elles sont nombreuses. Tout objet capable de vibrer peut devenir une source sonore.

Lorsqu'il est utilisé dans des applications médicales, par exemple l'obtention d'images par échographie, il a l'avantage de ne pas utiliser de rayonnement ionisant, tels que les rayons X ou la tomographie. C'est un fait que le rayonnement ionisant peut causer des dommages cellulaires.

Leur utilisation nécessite également les mesures de protection nécessaires lorsque le rayonnement ionisant est appliqué. Les équipes sont également moins chères.

De plus, l'énergie ultrasonique est une méthode non invasive pour éliminer les calculs rénaux et biliaires susmentionnés, évitant ainsi les procédures chirurgicales.

En principe, il ne génère pas la contamination ni dans les airs ni dans les eaux. Mais on sait qu'il y a une pollution sonore dans les mers, en raison d'activités humaines telles que la pêche intensive, la prospection géophysique et le transport.

Désavantages

Il est difficile de penser aux inconvénients qu'un phénomène aussi naturel que le son peut avoir.

L'une des rares est que les sons de grande intensité peuvent endommager la structure du tympan et, au fil du temps, faire perdre leur sensibilité en continu.

Des environnements très bruyants finissent par causer du stress et de l'inconfort chez les gens. Un autre inconvénient est peut-être le fait que l'énergie acoustique ne sert pas à déplacer des objets, étant très difficile pour profiter des vibrations pour affecter les objets solides.

En effet, le son nécessite toujours l'existence d'un moyen de se propager, et donc il est facilement atténué. C'est-à-dire que l'énergie sonore est absorbée au milieu plus rapidement que celle des autres types d'ondes, par exemple électromagnétique.

Pour cette raison, l'énergie des ondes sonores est relativement courte dans l'air. Le son est absorbé par les structures et les objets à mesure qu'il se propage, et son énergie se dissipe progressivement dans la chaleur.

Bien sûr, cela est lié à la conservation de l'énergie: l'énergie n'est pas détruite mais change la forme. Les vibrations des molécules dans l'air ne sont pas seulement transformées en changements de pression qui donnent naissance au son. Les vibrations donnent également naissance à la chaleur.

Absorption saine dans les matériaux

Lorsque les ondes sonores affectent un matériau tel qu'un mur de briques, par exemple, une partie de l'énergie est reflétée. Une autre partie est dissipée dans la chaleur, grâce à la vibration moléculaire de l'air et du matériau; Et enfin la fraction restante traverse le matériau.

Ainsi, les ondes sonores peuvent se refléter de la même manière que la lumière. Le reflet du son est connu sous le nom de "écho". Plus la surface est rigide et uniforme, plus la capacité de réfléchir est grande.

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En fait, il y a des surfaces capables de produire plusieurs réflexions appelées Réverbérations. Habituellement, cela se produit dans de petits espaces et est évité en plaçant un matériau isolant, de sorte que de cette manière, les vagues émises et celles reflétées ne chevauchent pas l'ouïe entrave.

Tout au long de sa propagation, l'onde acoustique subira toutes ces pertes successives jusqu'à ce que l'énergie soit complètement absorbée au milieu. Ce qui signifie qu'il a été transformé en énergie calorique.

Il y a une amplitude pour quantifier la capacité d'un matériau à absorber le son. Est appelé coefficient d'absorption. Il est indiqué comme α, et c'est la raison entre le énergie absorbée ET_abdos et la énergie incidente ET_Inc, Tous faisant référence au matériel en question. Il exprime mathématiquement comme ceci:

α = e_abdos/ET_Inc

La valeur maximale de α est 1 (absorbe complètement le son) et le minimum est 0 (que tout le son passe).

Le son peut être un inconvénient à plusieurs reprises lorsque le silence est préféré. Par exemple, les voitures sont des silenceurs installés afin de coussonner le bruit du moteur. À d'autres appareils tels que les pompes à eau et les usines électriques.

L'isolement acoustique est important dans une étude d'enregistrement. Source: Pixabay.

Exemples d'énergie sonore

L'énergie saine est partout. Voici un exemple simple qui illustre les propriétés du son et son énergie du point de vue quantitatif.

Exercice résolu

Une broche de 0,1 g de masse tombe d'une hauteur de 1 m. En supposant que 0,05% de son énergie devient une impulsion sonore de durée 0.1 s, estimer quelle est la distance maximale à laquelle la chute de la broche peut être entendue. Prendre comme une intensité sonore audible minimum 10^-8 W / m².

Solution

L'équation précédemment donnée pour l'intensité sonore sera utilisée:

Une bonne question est d'où vient l'énergie du son dans ce cas, dont l'intensité détecte l'oreille humaine.

La réponse est en énergie potentielle gravitationnelle. Précisément parce que la broche tombe d'une certaine hauteur, à laquelle elle avait une énergie potentielle, car elle tombe transforme cette énergie en énergie cinétique.

Et une fois qu'il a un impact sur le sol, l'énergie est transférée aux molécules d'air qui entourent la place de la chute, qui donne naissance au son.

Énergie potentielle gravitationnelle OU est:

U = mgh

Où m C'est la pâte de la broche, g C'est l'accélération de la gravité et H C'est la hauteur d'où il est tombé. Remplacement de ces valeurs numériques, mais pas avant de faire les conversions correspondantes dans le système international des unités, vous avez:

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

La déclaration indique que de cette énergie, seulement 0.05% se transforme pour donner naissance à l'impulsion son. Par conséquent, l'énergie sonore est:

ET_son= 4.9 x 10^-7 J

De l'équation d'intensité, la radio est effacée R et les valeurs d'énergie sonore sont remplacées et_son Et le temps qui a duré l'impulsion: 0.1 s selon la déclaration.

Par conséquent, la distance maximale à laquelle la chute de la broche sera audible est 6.24 m autour.

Les références

1. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. Sixième édition. Prentice Hall. 332 - 359.
2. Kinsler, L. (2000). Fondamentaux de l'acoustique. 4e ed. Wiley & Sons. 124-125.