NĂNG LƯỢNG ÂM THANH: ĐẶC ĐIỂM, LOẠI, SỬ DỤNG, ƯU ĐIỂM, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2024

Các năng lượng âm thanh hoặc âm thanh được mang sóng âm thanh như họ tuyên truyền trong môi trường, có thể là một khí như không khí, chất lỏng hoặc chất rắn. Con người và nhiều loài động vật sử dụng năng lượng âm thanh để tương tác với môi trường.

Vì vậy, chúng có các cơ quan chuyên biệt, ví dụ như dây thanh âm, có khả năng tạo ra rung động. Những rung động này được vận chuyển trong không khí để đến các cơ quan chuyên môn khác phụ trách việc giải thích chúng.

Năng lượng âm thanh được chuyển thành âm nhạc thông qua âm thanh của kèn clarinet. Nguồn: Pixabay

Các dao động gây ra sự nén và giãn nở liên tiếp trong không khí hoặc môi trường xung quanh nguồn, lan truyền với một tốc độ nhất định. Nó không phải là các hạt chuyển động, mà chúng chỉ đơn giản là dao động đối với vị trí cân bằng của chúng. Sự xáo trộn là những gì được truyền đi.

Bây giờ, như đã biết, các vật thể chuyển động có năng lượng. Do đó, các sóng khi chúng truyền trong môi trường cũng mang theo năng lượng liên quan đến chuyển động của các hạt (động năng), và cả năng lượng mà môi trường nói về bản chất sở hữu, được gọi là thế năng.

nét đặc trưng

Như đã biết, các vật thể chuyển động đều có năng lượng. Tương tự như vậy, sóng khi chúng truyền trong môi trường, mang theo năng lượng liên quan đến chuyển động của các hạt (động năng) và cả năng lượng biến dạng của môi trường hoặc thế năng.

Giả sử một phần rất nhỏ của môi trường, có thể là không khí, mỗi hạt có vận tốc u, có động năng K cho bởi:

Hơn nữa, hạt có thế năng U phụ thuộc vào sự thay đổi thể tích mà nó trải qua, trong đó Vo là thể tích ban đầu, V là thể tích cuối cùng và p là áp suất, phụ thuộc vào vị trí và thời gian:

Dấu âm cho biết thế năng tăng lên, vì sóng truyền tác dụng lên phần tử thể tích dV khi nén nó, nhờ áp suất âm dương.

Khối lượng của phần tử chất lỏng theo khối lượng riêng ban đầu ρ _o và thể tích ban đầu V _o là:

Và cách bảo toàn khối lượng (nguyên tắc bảo toàn khối lượng):

Do đó tổng năng lượng là như sau:

Tính thế năng

Tích phân có thể được giải bằng cách sử dụng nguyên tắc bảo toàn khối lượng

Đạo hàm của một hằng số là 0, do đó (ρ V) '= 0. Do đó:

Isaac Newton xác định rằng:

(dp / dρ) = c ²

Trong đó c đại diện cho tốc độ âm thanh trong chất lỏng được đề cập. Bằng cách thay thế ở trên vào tích phân, thế năng của môi trường thu được:

Nếu A _p và A _{v lần lượt} là biên độ của sóng áp và vận tốc thì năng lượng trung bình ε của sóng âm là:

Âm thanh có thể được đặc trưng bởi một đại lượng gọi là cường độ.

Cường độ âm được định nghĩa là năng lượng truyền trong một giây qua đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền âm.

Vì năng lượng trên một đơn vị thời gian là công suất P nên cường độ của âm I có thể được biểu thị là:

Mỗi loại sóng âm có một tần số đặc trưng và mang một năng lượng nhất định. Tất cả điều này quyết định hành vi âm thanh của nó. Vì âm thanh rất quan trọng đối với cuộc sống của con người, nên các loại âm thanh được phân thành ba nhóm lớn, theo dải tần số mà con người có thể nghe được:

- Sóng siêu âm có tần số nhỏ hơn 20 Hz.

- Phổ âm thanh, có tần số từ 20 Hz đến 20.000 Hz.

- Siêu âm, có tần số lớn hơn 20.000 Hz.

Cao độ của âm thanh, tức là cao, thấp hay trung bình, phụ thuộc vào tần số. Các tần số thấp hơn được hiểu là âm trầm, khoảng từ 20 đến 400 Hz.

Tần số từ 400 đến 1600 Hz được coi là âm trung, trong khi âm cao nằm trong khoảng từ 1600 đến 20.000 Hz. Âm cao nhẹ và xuyên suốt, trong khi âm trầm được cho là sâu hơn và bùng nổ.

Những âm thanh bạn nghe hàng ngày là những lớp phủ phức tạp của các âm thanh với nhiều tần số gần nhau.

Âm thanh có những phẩm chất khác với tần số, có thể dùng làm tiêu chí để phân loại. Ví dụ về chúng là âm sắc, thời lượng và cường độ.

Bộ cân bằng bao gồm các bộ lọc loại bỏ tiếng ồn và tăng tần số nhất định để cải thiện chất lượng âm thanh. Nguồn: Pixabay.

Tiếng ồn

Điều quan trọng nữa là phải phân biệt giữa âm thanh mong muốn và âm thanh không mong muốn hoặc tiếng ồn. Vì tiếng ồn luôn được tìm cách loại bỏ, nó được phân loại theo cường độ và thời gian trong:

- Tiếng ồn liên tục.

- Tiếng ồn dao động.

- Tiếng ồn xung động.

Hoặc theo màu sắc, được liên kết với tần suất của chúng:

- Tiếng ồn màu hồng (tương tự như "shhhhhh").

- Tiếng ồn trắng (tương tự như "psssssss").

- Tiếng ồn màu nâu (của Robert Brown, người phát hiện ra chuyển động Brown, là một tiếng ồn rất ủng hộ tần số thấp).

Các ứng dụng

Việc sử dụng năng lượng âm thanh phụ thuộc vào loại sóng âm thanh được sử dụng. Trong phạm vi sóng nghe được, âm thanh được sử dụng phổ biến là cho phép giao tiếp gần gũi, không chỉ giữa con người, vì động vật cũng giao tiếp bằng cách phát ra âm thanh.

Các âm thanh rất linh hoạt. Mỗi loại khác nhau tùy theo nguồn phát ra nó. Bằng cách này, sự đa dạng của âm thanh trong tự nhiên là vô hạn: giọng nói của mỗi con người là khác nhau, cũng như những âm thanh đặc trưng mà các loài động vật sử dụng để giao tiếp với nhau.

Nhiều loài động vật sử dụng năng lượng của âm thanh để định vị bản thân trong không gian và cũng để bắt con mồi. Chúng phát ra tín hiệu âm thanh và có các cơ quan thụ cảm phân tích các tín hiệu phản xạ. Bằng cách này, họ có được thông tin về khoảng cách.

Con người thiếu các cơ quan cần thiết để sử dụng năng lượng âm theo cách này. Tuy nhiên, họ đã tạo ra các thiết bị định hướng như sonar, dựa trên các nguyên tắc tương tự này, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều hướng.

Mặt khác, siêu âm là sóng âm thanh mà các ứng dụng của nó đã được biết đến nhiều. Trong y học, chúng được sử dụng để thu được hình ảnh bên trong cơ thể con người. Chúng cũng là một phần của việc điều trị một số tình trạng như đau thắt lưng và viêm gân.

Một số ứng dụng của năng lượng âm

- Với sóng siêu âm năng lượng cao, sỏi hoặc sỏi hình thành trong thận và túi mật có thể bị phá hủy do sự kết tủa của muối khoáng trong các cơ quan này.

- Trong địa vật lý, siêu âm được sử dụng như các phương pháp thăm dò. Nguyên tắc của nó tương tự như nguyên tắc của các phương pháp địa chấn. Chúng có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ xác định hình dạng của đại dương để cứu trợ đến tính toán mô đun đàn hồi.

- Trong công nghệ thực phẩm, chúng được dùng để khử vi sinh vật chịu được nhiệt độ cao, cũng như cải thiện một số kết cấu và phẩm chất của thực phẩm.

Lợi thế

Năng lượng âm thanh có những lợi thế phần lớn là do phạm vi ngắn của nó. Ví dụ, nó không tốn kém để sản xuất và không tạo ra hóa chất hoặc chất thải khác, vì nó tan nhanh trong môi trường.

Đối với các nguồn năng lượng âm, chúng có rất nhiều. Bất kỳ vật nào có khả năng dao động đều có thể trở thành nguồn phát âm thanh.

Khi được sử dụng trong các ứng dụng y tế, chẳng hạn như hình ảnh siêu âm, nó có lợi thế là không sử dụng bức xạ ion hóa, chẳng hạn như tia X hoặc chụp cắt lớp. Có một thực tế là bức xạ ion hóa có thể gây tổn thương tế bào.

Việc sử dụng nó không yêu cầu các biện pháp bảo vệ cần thiết khi áp dụng bức xạ ion hóa. Các bộ dụng cụ cũng rẻ hơn.

Tương tự như vậy, năng lượng siêu âm là một phương pháp không xâm lấn để loại bỏ thận và sỏi mật nói trên, do đó tránh được các thủ thuật phẫu thuật.

Về nguyên tắc, nó không tạo ra ô nhiễm cả trong không khí cũng như trong nước. Nhưng người ta biết rằng có ô nhiễm tiếng ồn ở các vùng biển, do các hoạt động của con người như đánh bắt cá tập trung, khảo sát địa vật lý và vận chuyển.

Nhược điểm

Thật khó để nghĩ về những nhược điểm mà một hiện tượng tự nhiên như âm thanh có thể có.

Một trong số ít đó là âm thanh lớn có thể làm hỏng cấu trúc của màng nhĩ, và theo thời gian khiến những người tiếp xúc liên tục bị mất cảm giác.

Môi trường rất ồn ào sẽ gây ra căng thẳng và khó chịu cho con người. Một nhược điểm khác có lẽ là năng lượng âm không được sử dụng để di chuyển vật thể, nên rất khó lợi dụng rung động để tác động lên vật rắn.

Điều này là do âm thanh luôn đòi hỏi sự tồn tại của một môi trường để có thể lan truyền, và do đó nó rất dễ bị suy giảm. Nói cách khác, năng lượng âm thanh được hấp thụ trong môi trường nhanh hơn năng lượng của các loại sóng khác, ví dụ như sóng điện từ.

Vì lý do này, năng lượng của sóng âm trong không khí tương đối ngắn. Âm thanh bị hấp thụ bởi các cấu trúc và vật thể khi nó truyền đi, và năng lượng của nó dần dần tiêu tán thành nhiệt.

Tất nhiên, điều này liên quan đến sự bảo toàn năng lượng: năng lượng không bị phá hủy mà thay đổi dạng. Sự dao động của các phân tử trong không khí không chỉ được biến đổi thành sự thay đổi áp suất tạo ra âm thanh. Rung động cũng làm phát sinh nhiệt.

Tiêu âm trong vật liệu

Chẳng hạn, khi sóng âm chạm vào một vật liệu như tường gạch, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ. Một phần khác được tản nhiệt nhờ vào sự rung động phân tử của cả không khí và vật liệu; và cuối cùng phần còn lại đi qua nguyên liệu.

Do đó, sóng âm thanh có thể bị phản xạ giống như cách mà ánh sáng làm. Sự phản xạ của âm thanh được gọi là "tiếng vang". Bề mặt càng cứng và đồng đều thì khả năng phản xạ càng lớn.

Trên thực tế, có những bề mặt có khả năng tạo ra nhiều phản xạ được gọi là âm vang. Thông thường điều này xảy ra trong không gian nhỏ và được tránh bằng cách đặt vật liệu cách nhiệt, để bằng cách này, sóng phát ra và phản xạ không trùng nhau, gây khó khăn cho việc nghe.

Trong tất cả quá trình lan truyền của nó, sóng âm sẽ trải qua tất cả những tổn thất liên tiếp này cho đến khi năng lượng được hấp thụ hoàn toàn trong môi trường. Có nghĩa là nó đã được chuyển hóa thành nhiệt năng.

Có một độ lớn để định lượng khả năng hấp thụ âm thanh của một vật liệu. Nó được gọi là hệ số hấp thụ. Nó được ký hiệu là α, và nó là tỷ số giữa năng lượng hấp thụ E _abs và năng lượng tới E _inc , tất cả đều quy về vật liệu được đề cập. Nó được thể hiện bằng toán học như thế này:

α = E _abs / E _inc

Giá trị lớn nhất của α là 1 (hấp thụ hoàn toàn âm thanh) và giá trị nhỏ nhất là 0 (cho toàn bộ âm thanh đi qua).

Âm thanh có thể là một bất lợi trong nhiều trường hợp khi sự im lặng được ưu tiên. Ví dụ, ô tô được lắp bộ giảm thanh để giảm tiếng ồn của động cơ. Đối với các thiết bị khác như máy bơm nước và nhà máy điện.

Cách âm rất quan trọng trong phòng thu âm. Nguồn: Pixabay.

Ví dụ về năng lượng âm thanh

Năng lượng âm thanh ở khắp mọi nơi. Dưới đây là một ví dụ đơn giản minh họa các thuộc tính của âm thanh và năng lượng của nó theo quan điểm định lượng.

Bài tập đã giải quyết

Một chốt khối lượng 0,1 g rơi từ độ cao 1m. Giả sử rằng 0,05% năng lượng của nó được chuyển thành xung âm thanh trong thời gian 0,1 s, hãy ước tính khoảng cách tối đa mà tại đó có thể nghe thấy tiếng sụt pin. Lấy cường độ âm tối thiểu nghe được là ^10-8 W / m ² .

Giải pháp

Phương trình cho ở trên sẽ được sử dụng cho cường độ của âm thanh:

Một câu hỏi hay là năng lượng âm thanh đến từ đâu trong trường hợp này, mà tai người phát hiện được cường độ âm thanh.

Câu trả lời là ở thế năng hấp dẫn. Chính vì chiếc chốt rơi từ một độ cao nhất định, tại đó nó có thế năng, khi rơi nó sẽ biến năng lượng này thành động năng.

Và một khi nó chạm đất, năng lượng sẽ được chuyển đến các phân tử không khí xung quanh vị trí va chạm, tạo ra âm thanh.

Thế năng trọng trường U là:

Trong đó m là khối lượng của chốt, g là gia tốc trọng trường và h là độ cao mà nó rơi xuống. Thay thế các giá trị số này, nhưng không phải trước khi thực hiện các chuyển đổi tương ứng trong Hệ thống đơn vị quốc tế, chúng ta có:

U = 0,1 x 10 ^-3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J

Tuyên bố nói rằng năng lượng này, chỉ 0,05% được biến đổi để tạo ra xung âm thanh, tức là tiếng leng keng của chốt khi nó chạm sàn. Do đó năng lượng âm thanh là:

_{Âm thanh} E = 4,9 x 10 ^-7 J

Từ phương trình cường độ, bán kính R được xóa và thay vào các giá trị của năng lượng _âm E và thời gian xung kéo dài: 0,1 s theo phát biểu.

Do đó, khoảng cách tối đa có thể nghe thấy tiếng rơi chốt là 6,24 m theo mọi hướng.

Người giới thiệu

1. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. Phiên bản thứ sáu. Sảnh Prentice. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Các nguyên tắc cơ bản về âm học. Ed thứ 4. Wiley & Sons. 124-125.