Características de energia sonora, tipos, usos, vantagens, exemplos

O Energia sonora o acústico é aquele que transporta ondas sonoras quando se espalham em um meio, que pode ser um gás como ar, um líquido ou um sólido. Seres humanos e muitos animais usam energia acústica para se relacionar com o meio ambiente.

Para isso, eles têm órgãos especializados, por exemplo, cordas vocais, capazes de produzir vibrações. Essas vibrações são transportadas no ar para alcançar outros órgãos especializados responsáveis ​​por sua interpretação.

A energia acústica se traduz em música através do som do clarinete. Fonte: Pixabay

Vibrações causam compressões e expansões sucessivas no ar ou no meio ao redor da fonte, que estão se propagando com alguma velocidade. Não são as partículas que viajam, mas estão limitadas a oscilar em relação à posição de equilíbrio. O distúrbio é o que é transmitido.

Agora, como é conhecido, os objetos que se movem têm energia. Assim, também as ondas enquanto viajam no meio carregam consigo a energia associada ao movimento das partículas (energia cinética) e também a energia que intrinsecamente disse médio, conhecida como energia potencial.

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Caracteristicas

Como se sabe, os objetos que se movem têm energia. Assim, as ondas enquanto viajam no meio, levam consigo a energia associada ao movimento das partículas (energia cinética) e também a energia de deformação do potencial ambiente ou energia.

Assumindo uma porção muito pequena do meio, que pode ser o ar, cada partícula com velocidade ou, Tem energia cinética K dado por:

K = ½ mu²

Além disso, a partícula tem energia potencial OU o que depende da mudança no volume que ela experimenta, sendo Vo O volume inicial, V O volume final e p A pressão, que depende da posição e do tempo:

O sinal negativo indica um aumento na energia potencial, uma vez que a onda por espalhamento funciona no elemento de volume Dv Ao comprimi -lo, graças à pressão acústica positiva.

A massa do elemento fluido em termos de densidade inicial ρ_qualquer e o volume inicial V_qualquer é:

m_qualquer= ρ_qualquerV_qualquer

E como a massa é preservada (Princípio da Conservação em Massa):

ρv = ρ_qualquerV_qualquer = constante

Portanto, a energia total permanece a seguinte:

Calcular energia potencial

A integral pode ser resolvida com a ajuda do princípio da conservação em massa

m_qualquer = m_F

O derivado de uma constante é 0, então (ρV) ' = 0. Portanto:

Dv = (-v/ρ) dρ

Isaac Newton determinou que:

(dp/dρ) = c²

Onde c representa a velocidade do som no fluido em questão. Ao substituir o exposto, é obtida a energia potencial do meio:

Finalmente, a energia acústica total de um elemento de volume é expressa como:

Para uma onda plana, é verdade que: P =  ± (ρc) u, Portanto, a energia permanece:

Como sempre, a energia é medida em Joules, no sistema internacional. É fácil verificar se o resultado anterior tem dimensões energéticas (n.M = joule).

Sim_p já_v Essas são as amplitudes da pressão e a onda de velocidade, respectivamente, a energia média ε da onda sonora é:

Intensidade do som

O som pode ser caracterizado por uma magnitude chamada intensidade.

A intensidade do som é definida como a energia que acontece em um segundo através da unidade de superfície que é perpendicular à direção de propagação do som.

Como energia por unidade de tempo é poder P, a intensidade do som Yo Pode ser expresso como:

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Onde E é a energia média, PARA é a área e t é o tempo. Se uma superfície esférica do Radio R deve cercar a Sonora Fuente, cuja área é 4πr², A intensidade do som permanece:

Pessoal

Cada tipo de onda sonora tem uma frequência característica e está carregando uma certa energia. Tudo isso determina seu comportamento acústico. Como o som é tão importante para a vida humana, os tipos de sons são classificados em três grandes grupos, de acordo com a faixa de frequência audível para os seres humanos:

- Infrasonido, cuja frequência é inferior a 20 Hz.

- Espectro audível, com frequências que variam das 20:00 às 20.000 Hz.

- Ultrassom, com frequências superiores a 20.000 Hz.

O tom de um som, ou seja, se for agudo, sério ou médio, depende da frequência. As frequências mais baixas são interpretadas como sons graves, aproximadamente entre 20 e 400 Hz.

As frequências entre 400 e 1600 Hz são consideradas tons intermediários, enquanto variam de 1600 a 20.000 Hz. Os sons agudos são leves e penetrantes, enquanto o baixo é percebido como mais profundo e vencido.

Os sons que são ouvidos diariamente são sobreposições complexas de sons com várias próximas frequências.

O som tem outras qualidades além da frequência, que pode servir como critério para sua classificação. Exemplo deles são o sino, a duração e a intensidade.

O equalizador consiste em filtros que eliminam o ruído e aprimoram certas frequências para melhorar a qualidade do som. Fonte: Pixabay.

O ruído

Também é importante fazer a distinção entre os sons ou ruídos desejados e indesejados. Como sempre procura eliminar o ruído, isso é classificado de acordo com a intensidade e o período em:

- Ruído contínuo.

- Ruído flutuante.

- Ruído impulsivo.

Ou por cores, ligado à sua frequência:

- Ruído rosa (semelhante a um "Shhhhhh”).

- Ruído branco (semelhante a um "PSSSSSS”).

- Ruído marrom (de Robert Brown, o descobridor do movimento browniano, é um ruído que favorece bastante as baixas frequências).

Formulários

O uso dado à energia acústica depende do tipo de onda sonora que é usada. Na gama de ondas audíveis, o uso universal do som é permitir uma comunicação próxima, não apenas entre as pessoas, já que os animais também comunicam sons emitidos.

Os sons são versáteis. Cada um difere de acordo com a fonte que emite. Dessa maneira, a variedade de sons na natureza é infinita: cada voz humana é diferente, assim como os sons característicos que as espécies animais usam para se comunicar.

Muitos animais usam energia sonora para estar localizada no espaço e também para capturar suas presas. Eles emitem sinais acústicos e têm órgãos receptores que analisam os sinais refletidos. Dessa forma, eles obtêm informações sobre distâncias.

Os seres humanos não têm os órgãos necessários para usar a energia sônica dessa maneira. No entanto, eles criaram dispositivos de orientação como Sónar, com base nesses mesmos princípios, para facilitar a navegação.

Por outro lado, o ultrassom são ondas sonoras cujas aplicações são bem conhecidas. Na medicina, eles são usados ​​para obter imagens do interior do corpo humano. Eles também fazem parte do tratamento de algumas condições, como lumbago e tendinite.

Algumas aplicações de energia acústica

- Com ultrassom de alta energia, pedras ou cálculos que se formam nos rins e na vesícula biliar podem ser destruídos devido à precipitação de sais minerais nesses órgãos.

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- Na geofísica, os ultrassom são usados ​​como métodos de prospecção. Seus princípios são semelhantes aos dos métodos sísmicos. Eles podem ser usados ​​em aplicações que variam desde a determinação da forma do alívio oceânico às testemunhas para calcular os módulos elásticos.

- Na tecnologia de alimentos, eles são usados ​​para eliminar os microrganismos resistentes a altas temperaturas, bem como para melhorar algumas texturas e qualidades alimentares.

Vantagens

A energia acústica tem vantagens que são devidas em grande parte ao seu baixo escopo. Por exemplo, não é caro produzir e não gera tipos químicos ou outros, pois se dissipa no meio rapidamente.

Quanto às fontes de energia acústica, elas são numerosas. Qualquer objeto capaz de vibrar pode se tornar uma fonte de som.

Quando usado em aplicações médicas, por exemplo, obtendo imagens por ultrassom, ele tem a vantagem de não usar radiação ionizante, como raios X ou tomografia. É um fato que a radiação ionizante pode causar danos às células.

Seu uso também requer as medidas de proteção necessárias quando a radiação ionizante é aplicada. As equipes também são mais baratas.

Além disso, a energia ultrassônica é um método não invasivo para eliminar os cálculos de rim e bile acima mencionados, evitando procedimentos cirúrgicos.

Em princípio, não gera contaminação no ar ou nas águas. Mas sabe -se que há poluição sonora nos mares, devido a atividades humanas, como pesca intensiva, prospecção geofísica e transporte.

Desvantagens

É difícil pensar nas desvantagens que um fenômeno tão natural quanto o som pode ter.

Um dos poucos é que os grandes sons de intensidade podem danificar a estrutura do tímpano e, com o tempo, fazer com que as pessoas continuamente expostas percam sua sensibilidade.

Ambientes muito barulhentos acabam causando estresse e desconforto nas pessoas. Outra desvantagem é talvez o fato de que a energia acústica não serve para mover objetos, sendo muito difícil aproveitar as vibrações para afetar objetos sólidos.

Isso ocorre porque o som sempre requer a existência de um meio de se espalhar e, portanto, é facilmente atenuado. Ou seja, a energia sonora é absorvida no meio mais rapidamente do que a de outros tipos de ondas, por exemplo, eletromagnético.

Por esse motivo, a energia das ondas sonoras é relativamente curta no ar. O som é absorvido por estruturas e objetos à medida que se espalha, e sua energia está gradualmente se dissipando no calor.

Obviamente, isso está relacionado à conservação da energia: a energia não é destruída, mas muda a forma. As vibrações das moléculas no ar não são apenas transformadas em mudanças de pressão que dão origem ao som. Vibrações também dão origem ao calor.

Absorção de som em materiais

Quando as ondas sonoras afetam um material como uma parede de tijolos, por exemplo, parte da energia é refletida. Outra parte é dissipada no calor, graças à vibração molecular do ar e do material; E finalmente a fração restante atravessa o material.

Assim, ondas sonoras podem ser refletidas da mesma maneira que a luz. O reflexo do som é conhecido como "eco". Quanto mais rígido e uniforme a superfície, maior a capacidade de refletir.

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De fato, existem superfícies capazes de produzir múltiplas reflexões chamadas Reverberações. Geralmente, isso ocorre em pequenos espaços e é evitado colocando o material isolante, de modo que, dessa maneira.

Ao longo de sua propagação, a onda acústica experimentará todas essas perdas sucessivas até que finalmente a energia seja completamente absorvida no meio. O que significa que foi transformado em energia calórica.

Há uma magnitude para quantificar a capacidade de um material de absorver som. É chamado de coeficiente de absorção. É denotado como α, e é a razão entre o energia absorvida E_abdômen e a energia incidente E_Inc, Tudo referindo -se ao material em questão. Expressa matematicamente assim:

α = e_abdômen/E_Inc

O valor máximo de α é 1 (absorve completamente o som) e o mínimo é 0 (deixe todo o som passar).

O som pode ser uma desvantagem em muitas ocasiões em que o silêncio é preferido. Por exemplo, os carros são instalados silenciadores para amortecer o ruído do motor. Para outros dispositivos, como bombas de água e usinas elétricas, também.

O isolamento acústico é importante em um estudo de gravação. Fonte: Pixabay.

Exemplos de energia sonora

A energia sonora está em toda parte. Aqui está um exemplo simples que ilustra as propriedades do som e sua energia do ponto de vista quantitativo.

Exercício resolvido

Um pino de 0,1 g de massa cai de uma altura de 1m. Supondo que 0,05 % de sua energia se torne um pulso sonoro de duração 0.1 s, estimar qual é a distância máxima na qual a queda do pino pode ser ouvida. Tome como um mínimo de intensidade de som audível 10^-8 W/m².

Solução

A equação fornecida anteriormente para intensidade sonora será usada:

Uma boa pergunta é de onde vem a energia do som neste caso, que cuja intensidade detecta o ouvido humano.

A resposta está em energia potencial gravitacional. Precisamente porque o alfine.

E uma vez que afeta o solo, a energia é transferida para as moléculas de ar que cercam o lugar do outono, o que dá origem ao som.

Energia potencial gravitacional OU é:

U = mgh

Onde m É a massa do alfinete, g É a aceleração da gravidade e h É a altura da qual caiu. Substituindo esses valores numéricos, mas não antes de fazer as conversões correspondentes no sistema internacional de unidades, você tem:

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

A declaração diz que desta energia, apenas 0.05 % se transforma para dar origem ao pulso de som, isto é, para o pino Tintineo quando se coloca no chão. Portanto, a energia sonora é:

E_som= 4.9 x 10^-7 J

Da equação de intensidade, o rádio é limpo R e os valores de energia sonora são substituídos e_som E o tempo que durou o pulso: 0.1 s de acordo com a declaração.

Portanto, a distância máxima à qual a queda do pino será audível é 6.24 m em torno.

Referências

1. Giancoli, d.  2006. Física: Princípios com aplicações. Sexta edição. Prentice Hall. 332 - 359.
2. Kinsler, l. (2000). Fundamentos do acústico. 4ª ed. Wiley & Sons. 124-125.