음향 에너지 하거나 공기, 액체 또는 고체와 같은 가스 일 수있는 매체 전파로 음파를 싣고 탄성. 인간과 많은 동물은 음향 에너지를 사용하여 환경과 상호 작용합니다.
이를 위해 그들은 진동을 생성 할 수있는 성대와 같은 특수 기관을 가지고 있습니다. 이러한 진동은 해석을 담당하는 다른 특수 기관에 도달하기 위해 공중으로 전달됩니다.
음향 에너지는 클라리넷 소리를 통해 음악으로 변환됩니다. 출처 : Pixabay
진동은 공기 또는 소스를 둘러싼 매체에서 연속적인 압축 및 팽창을 일으켜 특정 속도로 전파됩니다. 이동하는 것은 입자가 아니라 평형 위치에 대해 단순히 진동합니다. 교란이 전달되는 것입니다.
이제 알려진 바와 같이 움직이는 물체에는 에너지가 있습니다. 따라서 파동이 매질을 이동할 때 입자의 이동과 관련된 에너지 (운동 에너지)와이 매질이 본질적으로 소유하는 에너지 (위치 에너지라고 함)도 함께 전달합니다.
형질
알려진 바와 같이 움직이는 물체에는 에너지가 있습니다. 마찬가지로, 파동이 매질을 이동할 때 입자의 움직임 (운동 에너지)과 관련된 에너지와 매질 또는 위치 에너지의 변형 에너지를 함께 전달합니다.
속도가 u 인 각 입자 인 공기 일 수있는 매체의 매우 작은 부분이 다음과 같이 주어진 운동 에너지 K를 갖는다 고 가정합니다.
또한 입자는 체적 변화에 따라 달라지는 위치 에너지 U를 가지며, 여기서 Vo는 초기 체적, V는 최종 체적, p는 위치 및 시간에 따라 달라지는 압력입니다.
음의 기호는 음의 음압 덕분에 전파를 압축 할 때 부피 요소 dV에서 전 파파가 작용하기 때문에 위치 에너지의 증가를 나타냅니다.
초기 밀도 ρ o 및 초기 부피 V o 측면에서 유체 요소의 질량은 다음 과 같습니다.
그리고 질량이 보존되는 방법 (질량 보존 원칙) :
따라서 총 에너지는 다음과 같습니다.
위치 에너지 계산
적분은 질량 보존 원리를 사용하여 풀 수 있습니다.
상수의 미분은 0이므로 (ρ V) '= 0입니다. 따라서 :
Isaac Newton은 다음과 같이 결정했습니다.
(dp / dρ) = c 2
여기서 c는 해당 유체의 음속을 나타냅니다. 적분에 위의 값을 대입하여 매체의 위치 에너지를 얻습니다.
A p 와 A v 가 각각 압력 파와 속도의 진폭 인 경우 음파의 평균 에너지 ε는 다음과 같습니다.
소리는 강도라고하는 양으로 특징 지어 질 수 있습니다.
소리의 강도는 소리가 전파되는 방향에 수직 인 단위 영역을 1 초 안에 통과하는 에너지로 정의됩니다.
단위 시간당 에너지는 전력 P이므로 소리의 강도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
각 유형의 음파는 고유 한 주파수를 가지며 특정 에너지를 전달합니다. 이 모든 것이 음향 적 행동을 결정합니다. 소리는 인간의 삶에 매우 중요하기 때문에 소리의 유형은 사람이들을 수있는 주파수 범위에 따라 세 가지 큰 그룹으로 분류됩니다.
-주파수가 20Hz 미만인 초 저주파.
-주파수 범위가 20Hz ~ 20,000Hz 인 가청 스펙트럼.
-20,000Hz 이상의 주파수를 가진 초음파.
소리의 피치, 즉 높음, 낮음 또는 중간 정도는 주파수에 따라 다릅니다. 낮은 주파수는 약 20 ~ 400Hz의 저음으로 해석됩니다.
400 ~ 1600Hz 사이의 주파수는 중간 음으로 간주되고 고음은 1600 ~ 20,000Hz입니다. 고음은 가볍고 뾰족하고 저음은 더 깊고 쿵쿵 거리는 소리로 인식됩니다.
당신이 매일 듣는 소리는 매우 근접한 다양한 주파수를 가진 소리의 복잡한 오버레이입니다.
소리는 분류 기준으로 사용될 수있는 주파수 이외의 특성을 가지고 있습니다. 그 예로 음색, 지속 시간 및 강도가 있습니다.
이퀄라이저는 소음을 제거하고 특정 주파수를 증폭하여 음질을 향상시키는 필터로 구성됩니다. 출처 : Pixabay.
소음
원하는 소리와 원하지 않는 소리 또는 소음을 구분하는 것도 중요합니다. 소음은 항상 제거하고자하기 때문에 강도와 기간에 따라 다음과 같이 분류됩니다.
-지속적인 소음.
-변동 소음.
-충동적인 소음.
또는 빈도에 연결된 색상별로 :
-핑크 노이즈 ( "shhhhhh"와 유사).
-백색 잡음 ( "psssssss"와 유사).
-브라운 노이즈 (브라우니 안 운동의 발견자인 로버트 브라운에 의해 저주파를 크게 선호하는 노이즈입니다).
응용
음향 에너지에 부여되는 용도는 사용되는 음파의 유형에 따라 다릅니다. 가청 파의 범위에서 소리의 보편적 인 사용은 동물이 소리를 내면서 의사 소통을하기 때문에 사람 사이뿐만 아니라 밀접한 의사 소통을 가능하게하는 것입니다.
소리는 다양합니다. 각각은 그것을 방출하는 소스에 따라 다릅니다. 이런 식으로 자연의 다양한 소리는 무한합니다. 인간의 목소리는 각각 다르며 동물 종들이 서로 의사 소통하기 위해 사용하는 특징적인 소리도 다릅니다.
많은 동물은 소리의 에너지를 사용하여 우주에서 자신을 찾고 먹이를 잡습니다. 그들은 음향 신호를 방출하고 반사 된 신호를 분석하는 수용체 기관을 가지고 있습니다. 이런 식으로 그들은 거리에 대한 정보를 얻습니다.
인간은 이런 방식으로 음파 에너지를 사용하는 데 필요한 기관이 부족합니다. 그러나 그들은 탐색을 용이하게하기 위해 이러한 동일한 원칙을 기반으로 소나와 같은 방향 장치를 만들었습니다.
반면에 초음파는 응용 프로그램이 잘 알려진 음파입니다. 의학에서는 인체 내부의 이미지를 얻는 데 사용됩니다. 그들은 또한 요통 및 건염과 같은 일부 상태의 치료의 일부입니다.
음향 에너지의 일부 응용
-고 에너지 초음파를 이용하면 이들 기관에 미네랄 염분이 침전되어 신장과 담낭에 형성되는 결석이나 결석이 파괴 될 수 있습니다.
-지구 물리학에서는 탐사 방법으로 초음파를 사용합니다. 그 원리는 지진 방법의 원리와 유사합니다. 그들은 바다의 모양을 결정하는 것에서부터 구제, 탄성 계수 계산에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
-식품 기술에서 고온에 강한 미생물을 제거하고 식품의 질감과 품질을 개선하는 데 사용됩니다.
이점
음향 에너지는 주로 짧은 범위로 인해 장점이 있습니다. 예를 들어, 생산 비용이 저렴하고 매체에서 빠르게 소실되기 때문에 화학 물질이나 기타 폐기물을 생성하지 않습니다.
음향 에너지의 원천은 다양합니다. 진동 할 수있는 모든 물체는 소리의 근원이 될 수 있습니다.
초음파 영상과 같은 의료 분야에 사용되는 경우 X- 레이 또는 단층 촬영과 같은 전리 방사선을 사용하지 않는 이점이 있습니다. 전리 방사선이 세포 손상을 일으킬 수 있다는 것은 사실입니다.
그것의 사용은 전리 방사선이 적용될 때 필요한 보호 조치가 필요하지 않습니다. 키트도 저렴합니다.
마찬가지로 초음파 에너지는 앞서 언급 한 신장과 담석을 제거하는 비 침습적 방법이므로 수술 절차를 피할 수 있습니다.
원칙적으로 공기 나 수 중에서 오염을 발생시키지 않습니다. 그러나 집중적 인 어업, 지구 물리 탐사 및 운송과 같은 인간 활동으로 인해 바다에서 소음 공해가 발생하는 것으로 알려져 있습니다.
단점
소리처럼 자연스러운 현상이 가질 수있는 단점에 대해 생각하기는 어렵습니다.
몇 안되는 것 중 하나는 큰 소리가 고막의 구조를 손상시킬 수 있고 시간이 지남에 따라 지속적으로 노출 된 사람들이 감각을 잃게 만든다는 것입니다.
매우 시끄러운 환경은 결국 사람들에게 스트레스와 불편 함을 유발합니다. 또 다른 단점은 음향 에너지가 물체를 이동하는 데 사용되지 않기 때문에 진동을 이용하여 고체 물체에 영향을 미치는 것이 매우 어렵다는 사실입니다.
이는 소리를 전파 할 수있는 매체가 항상 있어야하기 때문에 쉽게 감쇠되기 때문입니다. 즉, 소리 에너지는 전자기파와 같은 다른 유형의 파동보다 더 빨리 매질에 흡수됩니다.
이러한 이유로 음파의 에너지는 공기 중에서 비교적 단거리입니다. 소리는 전파 될 때 구조물과 물체에 흡수되고 그 에너지는 점차 열로 분산됩니다.
물론 이것은 에너지 보존과 관련이 있습니다. 에너지는 파괴되지 않고 형태가 바뀝니다. 공기 중의 분자의 진동은 소리를 발생시키는 압력 변화로 변환 될뿐만 아니라 진동은 또한 열을 발생시킵니다.
재료의 흡음
예를 들어 음파가 벽돌 벽과 같은 물질에 부딪히면 에너지의 일부가 반사됩니다. 또 다른 부분은 공기와 물질의 분자 진동 덕분에 열로 발산됩니다. 마지막으로 나머지 부분은 재료를 통과합니다.
따라서 음파는 빛과 같은 방식으로 반사 될 수 있습니다. 소리의 반사를 "에코"라고합니다. 표면이 더 단단하고 균일할수록 반사 능력이 커집니다.
실제로 잔향이라고하는 다중 반사를 생성 할 수있는 표면이 있습니다. 일반적으로 이것은 작은 공간에서 발생하며 절연 재료를 배치하여 방지하므로 방출 및 반사파가 겹치지 않아 청력이 어려워집니다.
모든 전파 중에 음향 파는 에너지가 매체에 완전히 흡수 될 때까지 이러한 모든 연속 손실을 경험합니다. 이것은 그것이 열 에너지로 변환되었음을 의미합니다.
소리를 흡수하는 물질의 능력을 정량화 할 수있는 규모가 있습니다. 흡수 계수라고합니다. 이는 α로 표시되며 흡수 에너지 E abs 와 입사 에너지 E inc 사이의 비율 이며 모두 해당 물질을 참조합니다. 다음과 같이 수학적으로 표현됩니다.
α = E abs / E inc
α의 최대 값은 1 (사운드를 완전히 흡수)이고 최소값은 0 (모든 사운드를 통과)입니다.
침묵이 선호되는 경우 소리는 단점이 될 수 있습니다. 예를 들어, 자동차에는 엔진 소음을 줄이기 위해 소음기가 장착되어 있습니다. 수도 펌프 및 발전소와 같은 다른 장치에도 적용됩니다.
녹음 스튜디오에서는 방음이 중요합니다. 출처 : Pixabay.
사운드 에너지의 예
사운드 에너지는 어디에나 있습니다. 다음은 양적 관점에서 소리의 속성과 에너지를 보여주는 간단한 예입니다.
운동이 해결됨
질량 0.1g의 핀이 1m 높이에서 떨어집니다. 에너지의 0.05 %가 0.1 초의 지속 시간의 사운드 펄스로 변환된다고 가정하고, 핀 드롭이 들릴 수있는 최대 거리를 추정합니다. 최소 가청 강도 10 가라 -11 W / m 2 .
해결책
위에 주어진 방정식은 소리의 강도에 사용됩니다.
좋은 질문은이 경우 소리 에너지가 어디서 나오는지, 사람의 귀가 감지하는 강도입니다.
답은 중력 위치 에너지에 있습니다. 핀이 위치 에너지가있는 특정 높이에서 떨어지기 때문에 핀이 떨어지면이 에너지를 운동 에너지로 변환합니다.
그리고 일단 땅에 떨어지면 에너지가 충돌 지점을 둘러싼 공기 분자로 전달되어 소리를 발생시킵니다.
중력 위치 에너지 U는 다음과 같습니다.
여기서 m은 핀의 질량, g는 중력 가속도, h는 핀이 떨어진 높이입니다. 이 숫자 값을 대체하지만 국제 단위 시스템에서 해당 변환을 수행하기 전에는 다음이 가능합니다.
U = 0.1 x 10 -3 x 9.8 x 1 J = 0.00098 J
성명서에 따르면이 에너지의 0.05 % 만 변형되어 사운드 펄스, 즉 핀이 바닥에 닿을 때 땡땡이는 소리를 발생시킵니다. 따라서 사운드 에너지는 다음과 같습니다.
E 사운드 = 4.9 x 10 -7 J
강도 방정식에서 반경 R이 지워지고 소리 에너지 E 소리 의 값 과 펄스가 지속 된 시간 이 대체 됩니다.
따라서 핀 드롭이 들리는 최대 거리는 모든 방향에서 6.24m입니다.
참고 문헌
- Giancoli, D. 2006. Physics : Principles with Applications. 여섯 번째 판. 프렌 티스 홀. 332-359.
- Kinsler, L. (2000). 음향의 기초. 4th Ed. Wiley & Sons. 124-125.