พลังงานเสียง: ลักษณะประเภทการใช้ประโยชน์ตัวอย่าง - กายภาพ - 2026

พลังงานเสียงหรืออะคูสติกที่มีการดำเนินการคลื่นเสียงที่พวกเขาเผยแพร่ในสื่อซึ่งอาจจะเป็นก๊าซเช่นอากาศของเหลวหรือของแข็ง มนุษย์และสัตว์หลายชนิดใช้พลังงานอะคูสติกเพื่อโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อม

สำหรับสิ่งนี้พวกเขามีอวัยวะพิเศษเช่นสายเสียงที่สามารถสร้างการสั่นสะเทือนได้ การสั่นสะเทือนเหล่านี้ถูกส่งไปในอากาศเพื่อไปยังอวัยวะพิเศษอื่น ๆ ที่รับผิดชอบในการตีความ

พลังงานอะคูสติกถูกแปลเป็นเพลงผ่านเสียงของคลาริเน็ต ที่มา: Pixabay

การสั่นสะเทือนทำให้เกิดการบีบอัดอย่างต่อเนื่องและการขยายตัวในอากาศหรือตัวกลางที่ล้อมรอบแหล่งกำเนิดซึ่งแพร่กระจายด้วยความเร็วระดับหนึ่ง ไม่ใช่อนุภาคที่เคลื่อนที่ แต่เป็นเพียงการแกว่งเมื่อเทียบกับตำแหน่งสมดุล สิ่งรบกวนคือสิ่งที่ถ่ายทอด

อย่างที่ทราบกันดีว่าวัตถุที่เคลื่อนที่มีพลังงาน ดังนั้นคลื่นขณะที่พวกมันเดินทางในตัวกลางยังนำพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคไปด้วย (พลังงานจลน์) และพลังงานที่กล่าวว่าตัวกลางมีอยู่ในตัวซึ่งเรียกว่าพลังงานศักย์

ลักษณะเฉพาะ

ดังที่ทราบกันดีว่าวัตถุที่เคลื่อนที่มีพลังงาน ในทำนองเดียวกันคลื่นที่เคลื่อนที่ไปในตัวกลางจะมีพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาค (พลังงานจลน์) และพลังงานของการเปลี่ยนรูปของตัวกลางหรือพลังงานศักย์

สมมติว่าตัวกลางซึ่งมีขนาดเล็กมากซึ่งอาจเป็นอากาศแต่ละอนุภาคที่มีความเร็ว u มีพลังงานจลน์ K กำหนดโดย:

นอกจากนี้อนุภาคยังมีพลังงานศักย์ U ซึ่งขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรโดยที่ Vo คือปริมาตรเริ่มต้น V คือปริมาตรสุดท้ายและ p คือความดันซึ่งขึ้นอยู่กับตำแหน่งและเวลา:

เครื่องหมายลบหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานศักย์เนื่องจากคลื่นแพร่กระจายทำงานกับ dV ขององค์ประกอบปริมาตรเมื่อบีบอัดเนื่องจากแรงดันอะคูสติกบวก

มวลขององค์ประกอบของไหลในแง่ของความหนาแน่นเริ่มต้นρ _oและปริมาตรเริ่มต้น V _oคือ:

และวิธีการอนุรักษ์มวล (หลักการอนุรักษ์มวล):

ดังนั้นพลังงานทั้งหมดจึงเป็นดังนี้:

การคำนวณพลังงานศักย์

อินทิกรัลสามารถแก้ไขได้โดยใช้หลักการอนุรักษ์มวล

อนุพันธ์ของค่าคงที่คือ 0 ดังนั้น (ρ V) '= 0 ดังนั้น:

Isaac Newton ระบุว่า:

(dp / dρ) = ค²

โดยที่ c แสดงถึงความเร็วของเสียงในของเหลวที่เป็นปัญหา โดยการแทนที่ข้างต้นในอินทิกรัลจะได้รับพลังงานศักย์ของตัวกลาง:

ถ้า A _pและ A _vเป็นแอมพลิจูดของคลื่นความดันและความเร็วตามลำดับพลังงานเฉลี่ยεของคลื่นเสียงคือ:

เสียงสามารถจำแนกได้ด้วยปริมาณที่เรียกว่าความเข้ม

ความเข้มของเสียงหมายถึงพลังงานที่ส่งผ่านในหนึ่งวินาทีผ่านพื้นที่หน่วยที่ตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายเสียง

เนื่องจากพลังงานต่อหน่วยเวลาคือพลังงาน P ความเข้มของเสียงฉันจึงสามารถแสดงเป็น:

คลื่นเสียงแต่ละประเภทมีลักษณะความถี่และมีพลังงานที่แน่นอน ทั้งหมดนี้เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมทางเสียง เนื่องจากเสียงมีความสำคัญต่อชีวิตมนุษย์มากประเภทของเสียงจึงถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่มใหญ่ ๆ ตามช่วงความถี่ที่มนุษย์ได้ยิน:

- อินฟราซาวด์ซึ่งมีความถี่น้อยกว่า 20 เฮิร์ตซ์

- สเปกตรัมเสียงที่มีความถี่ตั้งแต่ 20 Hz ถึง 20,000 Hz

- อัลตร้าซาวด์ที่มีความถี่มากกว่า 20,000 เฮิรตซ์

ระดับเสียงไม่ว่าจะสูงต่ำหรือกลางขึ้นอยู่กับความถี่ ความถี่ต่ำจะตีความเป็นเสียงเบสโดยประมาณระหว่าง 20 ถึง 400 เฮิรตซ์

ความถี่ระหว่าง 400 ถึง 1600 เฮิรตซ์ถือเป็นเสียงกลางขณะที่เสียงสูงอยู่ในช่วง 1600 ถึง 20,000 เฮิรตซ์เสียงแหลมสูงจะเบาและเสียดแทงในขณะที่เสียงเบสจะรับรู้ได้ว่าลึกและเฟื่องฟู

เสียงที่คุณได้ยินทุกวันคือการซ้อนทับของเสียงที่ซับซ้อนโดยมีความถี่ต่างๆในบริเวณใกล้เคียงกัน

เสียงมีคุณสมบัติอื่นที่ไม่ใช่ความถี่ซึ่งสามารถใช้เป็นเกณฑ์ในการจำแนกประเภทได้ ตัวอย่าง ได้แก่ เสียงต่ำระยะเวลาและความรุนแรง

อีควอไลเซอร์ประกอบด้วยฟิลเตอร์ที่ขจัดเสียงรบกวนและเพิ่มความถี่บางอย่างเพื่อปรับปรุงคุณภาพเสียง ที่มา: Pixabay

สัญญาณรบกวน

สิ่งสำคัญคือต้องสร้างความแตกต่างระหว่างเสียงที่ต้องการและเสียงที่ไม่ต้องการหรือเสียงรบกวน เนื่องจากสัญญาณรบกวนมักถูกมองหาที่จะกำจัดมันจึงถูกจัดประเภทตามความรุนแรงและช่วงเวลาใน:

- เสียงดังต่อเนื่อง

- เสียงที่ผันผวน

- เสียงหุนหันพลันแล่น

หรือตามสีที่เชื่อมโยงกับความถี่:

- เสียงสีชมพู (คล้ายกับ "shhhhhh")

- เสียงสีขาว (คล้ายกับ "psssssss")

- เสียงรบกวนสีน้ำตาล (โดยโรเบิร์ตบราวน์ผู้ค้นพบการเคลื่อนไหวของบราวน์เนียนเป็นเสียงที่ชอบความถี่ต่ำมาก)

การประยุกต์ใช้งาน

การใช้งานที่ให้พลังงานอะคูสติกขึ้นอยู่กับชนิดของคลื่นเสียงที่ใช้ ในช่วงของคลื่นเสียงการใช้เสียงแบบสากลคือเพื่อให้สามารถสื่อสารได้อย่างใกล้ชิดไม่เพียง แต่ระหว่างคนเท่านั้นเนื่องจากสัตว์ยังสื่อสารด้วยการเปล่งเสียง

เสียงมีความหลากหลาย แต่ละอย่างแตกต่างกันไปตามแหล่งที่มาที่ปล่อยออกมา ด้วยวิธีนี้ความหลากหลายของเสียงในธรรมชาติจึงไม่มีที่สิ้นสุด: เสียงของมนุษย์แต่ละคนมีความแตกต่างกันเช่นเดียวกับเสียงลักษณะที่สัตว์ชนิดต่างๆใช้สื่อสารกัน

สัตว์หลายชนิดใช้พลังงานของเสียงเพื่อค้นหาตัวเองในอวกาศและจับเหยื่อด้วย พวกมันปล่อยสัญญาณอะคูสติกและมีอวัยวะรับที่วิเคราะห์สัญญาณสะท้อน ด้วยวิธีนี้พวกเขาได้รับข้อมูลเกี่ยวกับระยะทาง

มนุษย์ขาดอวัยวะที่จำเป็นในการใช้พลังงานโซนิคด้วยวิธีนี้ อย่างไรก็ตามพวกเขาได้สร้างอุปกรณ์ปรับทิศทางเช่นโซนาร์โดยใช้หลักการเดียวกันนี้เพื่ออำนวยความสะดวกในการนำทาง

ในทางกลับกันอัลตราซาวนด์เป็นคลื่นเสียงที่รู้จักกันดีในการใช้งาน ในทางการแพทย์ใช้เพื่อให้ได้ภาพภายในของร่างกายมนุษย์ นอกจากนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของการรักษาภาวะบางอย่างเช่น lumbago และ tendonitis

การใช้พลังงานอะคูสติกบางอย่าง

- ด้วยอัลตร้าซาวด์พลังงานสูงนิ่วหรือนิ่วที่ก่อตัวในไตและถุงน้ำดีอาจถูกทำลายได้เนื่องจากการตกตะกอนของเกลือแร่ในอวัยวะเหล่านี้

- ในธรณีฟิสิกส์อัลตราซาวนด์ใช้เป็นวิธีการหาแร่ หลักการของมันคล้ายกับวิธีแผ่นดินไหว สามารถใช้ในการใช้งานตั้งแต่การกำหนดรูปร่างของมหาสมุทรการบรรเทาไปจนถึงการคำนวณโมดูลิยืดหยุ่น

- ในเทคโนโลยีอาหารใช้ในการกำจัดจุลินทรีย์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงตลอดจนปรับปรุงพื้นผิวและคุณภาพของอาหาร

ความได้เปรียบ

พลังงานอะคูสติกมีข้อดีส่วนใหญ่เนื่องจากมีช่วงสั้น ตัวอย่างเช่นมีราคาไม่แพงในการผลิตและไม่ก่อให้เกิดสารเคมีหรือของเสียอื่น ๆ เนื่องจากจะสลายไปในอาหารอย่างรวดเร็ว

สำหรับแหล่งที่มาของพลังงานอะคูสติกนั้นมีมากมาย วัตถุใด ๆ ที่สั่นสะเทือนอาจกลายเป็นแหล่งกำเนิดเสียงได้

เมื่อใช้ในงานทางการแพทย์เช่นการถ่ายภาพอัลตราซาวนด์มีข้อดีคือไม่ใช้รังสีไอออไนซ์เช่นรังสีเอกซ์หรือเอกซเรย์ มันเป็นความจริงที่ว่าการแผ่รังสีไอออไนซ์สามารถทำให้เซลล์เสียหายได้

การใช้งานไม่จำเป็นต้องมีมาตรการป้องกันที่จำเป็นเมื่อใช้รังสีไอออไนซ์ ชุดอุปกรณ์ยังมีราคาถูกกว่า

ในทำนองเดียวกันพลังงานอัลตราโซนิกเป็นวิธีการที่ไม่รุกรานเพื่อกำจัดไตและนิ่วดังกล่าวข้างต้นจึงหลีกเลี่ยงขั้นตอนการผ่าตัด

โดยหลักการแล้วจะไม่ก่อให้เกิดมลพิษทั้งในอากาศหรือในน่านน้ำ แต่เป็นที่ทราบกันดีว่ามีมลพิษทางเสียงในทะเลซึ่งเกิดจากกิจกรรมของมนุษย์เช่นการจับปลาอย่างเข้มข้นการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์และการขนส่ง

ข้อเสีย

เป็นการยากที่จะคิดถึงผลเสียของปรากฏการณ์ที่เป็นธรรมชาติเท่าเสียงจะมีได้

หนึ่งในไม่กี่อย่างคือเสียงที่ดังอาจทำลายโครงสร้างของแก้วหูและเมื่อเวลาผ่านไปผู้สัมผัสอย่างต่อเนื่องจะสูญเสียความรู้สึก

สภาพแวดล้อมที่มีเสียงดังมากทำให้เกิดความเครียดและไม่สบายตัว ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือความจริงที่ว่าพลังงานอะคูสติกไม่ได้ใช้ในการเคลื่อนย้ายวัตถุทำให้ยากที่จะใช้ประโยชน์จากการสั่นสะเทือนเพื่อกระทบกับวัตถุที่เป็นของแข็ง

เนื่องจากเสียงต้องการการมีอยู่ของสื่อเสมอเพื่อให้สามารถแพร่กระจายได้ดังนั้นจึงถูกลดทอนได้ง่าย กล่าวอีกนัยหนึ่งพลังงานเสียงจะถูกดูดซับในตัวกลางได้เร็วกว่าคลื่นประเภทอื่น ๆ เช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ด้วยเหตุนี้พลังงานของคลื่นเสียงจึงอยู่ในอากาศค่อนข้างสั้น เสียงจะถูกดูดซับโดยโครงสร้างและวัตถุเมื่อมันแพร่กระจายและพลังงานของมันจะค่อยๆกระจายไปเป็นความร้อน

แน่นอนว่าสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการอนุรักษ์พลังงาน: พลังงานไม่ได้ถูกทำลาย แต่เปลี่ยนรูปแบบ การสั่นสะเทือนของโมเลกุลในอากาศไม่เพียงเปลี่ยนเป็นการเปลี่ยนแปลงความดันที่ก่อให้เกิดเสียงเท่านั้น การสั่นสะเทือนยังก่อให้เกิดความร้อน

การดูดซับเสียงในวัสดุ

เมื่อคลื่นเสียงกระทบกับวัสดุเช่นกำแพงอิฐพลังงานส่วนหนึ่งจะสะท้อนออกมา อีกส่วนหนึ่งจะกระจายไปในความร้อนเนื่องจากการสั่นสะเทือนของโมเลกุลของทั้งอากาศและวัสดุ และในที่สุดเศษส่วนที่เหลือก็ผ่านวัสดุ

ดังนั้นคลื่นเสียงจึงสามารถสะท้อนในลักษณะเดียวกับที่แสงทำ การสะท้อนของเสียงเรียกว่า "เสียงสะท้อน" ยิ่งพื้นผิวแข็งและสม่ำเสมอมากเท่าไหร่ความสามารถในการสะท้อนแสงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ในความเป็นจริงมีพื้นผิวที่สามารถสร้างการสะท้อนกลับหลายแบบที่เรียกว่าการสะท้อนกลับ โดยปกติสิ่งนี้จะเกิดขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็กและหลีกเลี่ยงได้โดยการวางวัสดุฉนวนเพื่อให้คลื่นที่ปล่อยออกมาและคลื่นสะท้อนไม่ซ้อนทับกันทำให้การได้ยินยากขึ้น

ในระหว่างการแพร่กระจายคลื่นอะคูสติกจะพบกับความสูญเสียที่เกิดขึ้นต่อเนื่องทั้งหมดเหล่านี้จนในที่สุดพลังงานจะถูกดูดซับอย่างสมบูรณ์ในตัวกลาง ซึ่งหมายความว่ามันถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน.

มีขนาดในการวัดความสามารถของวัสดุในการดูดซับเสียง เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึม แสดงเป็นαและเป็นอัตราส่วนระหว่างพลังงานที่ดูดซับ E _absกับพลังงานตกกระทบ E _incซึ่งทั้งหมดนี้อ้างถึงวัสดุที่เป็นปัญหา มันแสดงออกทางคณิตศาสตร์ดังนี้:

α = E _abs / E _inc

ค่าสูงสุดของαคือ 1 (ดูดซับเสียงอย่างสมบูรณ์) และค่าต่ำสุดคือ 0 (ปล่อยให้เสียงทั้งหมดผ่าน)

เสียงอาจเป็นข้อเสียในหลาย ๆ ครั้งเมื่อต้องการความเงียบ ตัวอย่างเช่นรถยนต์ติดตั้งอุปกรณ์เก็บเสียงเพื่อลดเสียงเครื่องยนต์ ไปยังอุปกรณ์อื่น ๆ เช่นปั๊มน้ำและโรงไฟฟ้าด้วย

ฉนวนกันเสียงเป็นสิ่งสำคัญในสตูดิโอบันทึกเสียง ที่มา: Pixabay

ตัวอย่างพลังงานเสียง

พลังงานเสียงมีอยู่ทั่วไป นี่คือตัวอย่างง่ายๆที่แสดงคุณสมบัติของเสียงและพลังงานจากมุมมองเชิงปริมาณ

การออกกำลังกายได้รับการแก้ไข

พินมวล 0.1 กรัมตกจากที่สูง 1 เมตร สมมติว่า 0.05% ของพลังงานถูกแปลงเป็นพัลส์เสียงที่ระยะเวลา 0.1 วินาทีให้ประมาณระยะทางสูงสุดที่จะได้ยินเสียงพินหล่น ใช้เวลาขั้นต่ำเสียงเสียงเข้ม 10 ^-8 W / m 2

สารละลาย

สมการที่ให้ไว้ข้างต้นจะใช้สำหรับความเข้มของเสียง:

คำถามที่ดีคือพลังงานเสียงมาจากไหนในกรณีนี้ซึ่งความรุนแรงที่หูของมนุษย์ตรวจจับได้

คำตอบอยู่ในพลังงานศักย์โน้มถ่วง อย่างแม่นยำเนื่องจากพินตกลงมาจากที่สูงซึ่งมีพลังงานศักย์เมื่อมันตกลงมามันจะเปลี่ยนพลังงานนี้เป็นพลังงานจลน์

และเมื่อกระทบพื้นพลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังโมเลกุลของอากาศที่อยู่รอบ ๆ จุดชนทำให้เกิดเสียง

พลังงานศักย์โน้มถ่วง U คือ:

โดยที่ m มวลของพิน g คือความเร่งของแรงโน้มถ่วงและ h คือความสูงที่มันตกลงมา การแทนที่ค่าตัวเลขเหล่านี้ แต่ไม่ใช่ก่อนที่จะทำการแปลงที่สอดคล้องกันในระบบสากลของหน่วยเรามี:

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

ข้อความกล่าวว่าของพลังงานนี้มีเพียง 0.05% เท่านั้นที่ถูกเปลี่ยนไปเพื่อให้เกิดพัลส์เสียงนั่นคือการบิดพินเมื่อกระทบพื้น ดังนั้นพลังงานเสียงคือ:

E _{เสียง} = 4.9 x 10 ^-7 J

จากสมการความเข้มรัศมี R จะถูกล้างและค่าของพลังงาน_{เสียง} E _{เสียง}และเวลาที่พัลส์กินเวลาจะถูกแทนที่: 0.1 วินาทีตามคำสั่ง

ดังนั้นระยะทางสูงสุดที่จะได้ยินเสียงพินหล่นคือ 6.24 ม. ในทุกทิศทาง

อ้างอิง

1. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. รุ่นที่หก ศิษย์ฮอลล์. 332-359
2. คินส์เลอร์, L. (2000). พื้นฐานของอะคูสติก 4th Ed. Wiley & Sons. 124-125