الطاقة الصوتية: خصائصها ، أنواعها ، استخداماتها ، مزاياها ، أمثلة - جسدي - بدني - 2025

و الطاقة الصوتية أو الصوتية التي تحمل الموجات الصوتية كما نشر في المتوسط، والذي قد يكون الغاز مثل الهواء، والسائل أو الصلب. يستخدم البشر والعديد من الحيوانات الطاقة الصوتية للتفاعل مع البيئة.

لهذا لديهم أعضاء متخصصة ، مثل الحبال الصوتية ، قادرة على إنتاج الاهتزازات. يتم نقل هذه الاهتزازات في الهواء لتصل إلى الأعضاء المتخصصة الأخرى المسؤولة عن تفسيرها.

تترجم الطاقة الصوتية إلى موسيقى من خلال صوت الكلارينيت. المصدر: Pixabay

تسبب الاهتزازات ضغطات وتمددات متتالية في الهواء أو الوسط المحيط بالمصدر ، والتي تنتشر بسرعة معينة. ليست الجسيمات هي التي تنتقل ، لكنها تتأرجح ببساطة فيما يتعلق بوضع توازنها. الاضطراب هو ما ينتقل.

الآن ، كما هو معروف ، تمتلك الأشياء التي تتحرك طاقة. وبالتالي ، فإن الموجات أثناء انتقالها في الوسط تحمل معها أيضًا الطاقة المرتبطة بحركة الجسيمات (الطاقة الحركية) ، وكذلك الطاقة التي يمتلكها هذا الوسط جوهريًا ، والمعروفة باسم الطاقة الكامنة.

مميزات

كما هو معروف ، فإن الأشياء التي تتحرك لها طاقة. وبالمثل ، فإن الأمواج أثناء انتقالها في الوسط تحمل معها الطاقة المرتبطة بحركة الجسيمات (الطاقة الحركية) وكذلك طاقة تشوه الوسط أو الطاقة الكامنة.

بافتراض أن جزءًا صغيرًا جدًا من الوسط ، يمكن أن يكون هواء ، فإن كل جسيم بسرعة u ، لديه طاقة حركية K تعطى بواسطة:

علاوة على ذلك ، يمتلك الجسيم طاقة كامنة U التي تعتمد على تغيير الحجم الذي يواجهه ، حيث Vo هو الحجم الأولي ، V هو الحجم النهائي و p هو الضغط ، والذي يعتمد على الموقع والوقت:

تشير العلامة السالبة إلى زيادة في الطاقة الكامنة ، حيث تعمل موجة الانتشار على عنصر الحجم dV عند ضغطه ، وذلك بفضل الضغط الصوتي الإيجابي.

كتلة العنصر المائع من حيث الكثافة الأولية ρ _o والحجم الأولي V _o هي:

وكيف يتم حفظ الكتلة (مبدأ حفظ الكتلة):

لذلك فإن إجمالي الطاقة مثل هذا:

حساب الطاقة الكامنة

يمكن حل التكامل باستخدام مبدأ الحفاظ على الكتلة

مشتق الثابت هو 0 ، لذا (ρ V) '= 0. لذلك:

قرر إسحاق نيوتن أن:

(dp / dρ) = ج ²

حيث تمثل c سرعة الصوت في السائل المعني. من خلال استبدال ما سبق في التكامل ، يتم الحصول على الطاقة الكامنة للوسط:

إذا كان A _p و A _v هما اتساع موجة الضغط والسرعة على التوالي ، فإن متوسط ​​الطاقة ε لموجة الصوت هو:

يمكن أن يتميز الصوت بكمية تسمى شدة.

تُعرَّف شدة الصوت بأنها الطاقة التي تمر في ثانية واحدة عبر منطقة الوحدة المتعامدة مع اتجاه انتشار الصوت.

نظرًا لأن الطاقة لكل وحدة زمنية هي الطاقة P ، فيمكن التعبير عن شدة الصوت على النحو التالي:

كل نوع من أنواع الموجات الصوتية له تردد مميز ويحمل طاقة معينة. كل هذا يحدد سلوكها الصوتي. نظرًا لأن الصوت مهم جدًا لحياة الإنسان ، يتم تصنيف أنواع الأصوات إلى ثلاث مجموعات كبيرة ، وفقًا لمدى الترددات المسموعة للإنسان:

- الموجات فوق الصوتية التي يقل ترددها عن 20 هرتز.

- طيف مسموع بترددات تتراوح من 20 هرتز إلى 20000 هرتز.

- الموجات فوق الصوتية بترددات أعلى من 20000 هرتز.

تعتمد درجة الصوت ، سواء كانت عالية أو منخفضة أو متوسطة ، على التردد. يتم تفسير الترددات المنخفضة على أنها أصوات جهير ، ما بين 20 و 400 هرتز تقريبًا.

تعتبر الترددات بين 400 و 1600 هرتز نغمات متوسطة ، في حين أن الترددات المرتفعة تتراوح من 1600 إلى 20000 هرتز.الأصوات عالية النبرة خفيفة وثاقبة ، بينما يُنظر إلى الجهير على أنه أعمق وأعلى صوتًا.

الأصوات التي تسمعها كل يوم عبارة عن تراكبات معقدة من الأصوات مع ترددات مختلفة على مقربة.

الصوت له صفات أخرى غير التردد ، والتي يمكن أن تكون بمثابة معايير لتصنيفه. ومن الأمثلة على ذلك الجرس والمدة والشدة.

يتكون المعادل من مرشحات تزيل الضوضاء وتعزز ترددات معينة لتحسين جودة الصوت. المصدر: Pixabay.

الضوضاء

من المهم أيضًا التمييز بين الأصوات المطلوبة والأصوات أو الضوضاء غير المرغوب فيها. نظرًا لأنه يتم السعي دائمًا إلى التخلص من الضوضاء ، يتم تصنيفها وفقًا للشدة والفترة في:

- ضوضاء مستمرة.

- ضوضاء متقلبة.

- ضوضاء اندفاعية.

أو حسب الألوان المرتبطة بترددها:

- ضجيج وردي (مشابه لـ "shhhhhh").

- ضجيج أبيض (مشابه لـ "psssssss").

- الضوضاء البنية (بواسطة روبرت براون ، مكتشف الحركة البراونية ، هي ضوضاء تفضل الترددات المنخفضة بشكل كبير).

التطبيقات

يعتمد الاستخدام المعطى للطاقة الصوتية على نوع الموجة الصوتية المستخدمة. في نطاق الموجات المسموعة ، يتمثل الاستخدام العالمي للصوت في السماح بالاتصال الوثيق ، ليس فقط بين الناس ، لأن الحيوانات تتواصل أيضًا عن طريق إصدار الأصوات.

الأصوات متعددة الاستخدامات. يختلف كل منها حسب المصدر الذي ينبعث منه. وبهذه الطريقة يكون تنوع الأصوات في الطبيعة لانهائيًا: يختلف كل صوت بشري ، وكذلك الأصوات المميزة التي تستخدمها أنواع الحيوانات للتواصل مع بعضها البعض.

تستخدم العديد من الحيوانات طاقة الصوت لتحديد مواقعها في الفضاء وأيضًا لالتقاط فرائسها. تنبعث منها إشارات صوتية ولها أعضاء مستقبلية تحلل الإشارات المنعكسة. بهذه الطريقة يحصلون على معلومات حول المسافات.

يفتقر البشر إلى الأعضاء اللازمة لاستخدام الطاقة الصوتية بهذه الطريقة. ومع ذلك ، فقد أنشأوا أجهزة توجيه مثل السونار ، بناءً على هذه المبادئ نفسها ، لتسهيل التنقل.

من ناحية أخرى ، فإن الموجات فوق الصوتية هي موجات صوتية معروفة تطبيقاتها جيدًا. في الطب يتم استخدامها للحصول على صور من داخل جسم الإنسان. كما أنها جزء من علاج بعض الحالات مثل ألم الظهر والتهاب الأوتار.

بعض تطبيقات الطاقة الصوتية

- باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة ، يمكن تدمير الحصوات أو الحصوات التي تتكون في الكلى والمرارة بسبب ترسيب الأملاح المعدنية في هذه الأعضاء.

- في الجيوفيزياء ، تستخدم الموجات فوق الصوتية كطرق تنقيب. مبادئها مماثلة لتلك الخاصة بالطرق الزلزالية. يمكن استخدامها في تطبيقات تتراوح من تحديد شكل المحيط إلى الإغاثة لحساب المعامل المرنة.

- في تكنولوجيا الغذاء يتم استخدامها للقضاء على الكائنات الحية الدقيقة المقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة ، وكذلك لتحسين بعض قوام ونوعية الغذاء.

مميزات

تتميز الطاقة الصوتية بمزايا ترجع إلى حد كبير إلى نطاقها القصير. على سبيل المثال ، يعد إنتاجه غير مكلف ولا ينتج عنه نفايات كيميائية أو نفايات أخرى ، لأنه يتبدد في الوسط بسرعة.

أما مصادر الطاقة الصوتية فهي عديدة. يمكن أن يصبح أي جسم قادر على الاهتزاز مصدرًا للصوت.

عند استخدامه في التطبيقات الطبية ، مثل التصوير بالموجات فوق الصوتية ، فإنه يتميز بعدم استخدام الإشعاع المؤين ، مثل الأشعة السينية أو التصوير المقطعي. إنها حقيقة أن الإشعاع المؤين يمكن أن يسبب تلف الخلايا.

لا يتطلب استخدامه تدابير الحماية اللازمة عند تطبيق الإشعاع المؤين. المجموعات أرخص أيضًا.

وبالمثل ، فإن الطاقة فوق الصوتية هي طريقة غير جراحية للتخلص من حصوات الكلى والمرارة المذكورة أعلاه ، وبالتالي تجنب الإجراءات الجراحية.

من حيث المبدأ لا يولد التلوث لا في الهواء ولا في المياه. لكن من المعروف أن هناك تلوث ضوضاء في البحار ناتج عن الأنشطة البشرية مثل الصيد المكثف والتنقيب الجيوفيزيائي والنقل.

سلبيات

من الصعب التفكير في العيوب التي يمكن أن تحدثها ظاهرة طبيعية مثل الصوت.

أحد هذه الأسباب القليلة هو أن الأصوات العالية يمكن أن تلحق الضرر ببنية طبلة الأذن ، وبمرور الوقت تجعل الأشخاص المكشوفين باستمرار يفقدون إحساسهم.

تؤدي البيئات الصاخبة جدًا إلى إحداث إجهاد وانزعاج لدى الناس. عيب آخر ربما هو حقيقة أن الطاقة الصوتية لا تستخدم لتحريك الأشياء ، مما يجعل من الصعب للغاية الاستفادة من الاهتزازات للتأثير على الأجسام الصلبة.

هذا لأن الصوت يتطلب دائمًا وجود وسيط ليكون قادرًا على الانتشار ، وبالتالي يسهل تخفيفه. بمعنى آخر ، يتم امتصاص الطاقة الصوتية في الوسط بسرعة أكبر من تلك الموجودة في الأنواع الأخرى من الموجات ، مثل الموجات الكهرومغناطيسية.

لهذا السبب تكون طاقة الموجات الصوتية قصيرة المدى نسبيًا في الهواء. تمتص الهياكل والأشياء الصوت أثناء انتشاره ، وتتبدد طاقته تدريجياً إلى حرارة.

بالطبع ، هذا مرتبط بالحفاظ على الطاقة: لا يتم تدمير الطاقة ولكن يتغير شكلها. لا تتحول اهتزازات الجزيئات في الهواء فقط إلى تغيرات في الضغط تؤدي إلى ظهور الصوت. تؤدي الاهتزازات أيضًا إلى ارتفاع الحرارة.

امتصاص الصوت في المواد

عندما تصطدم الموجات الصوتية بمادة مثل جدار من الطوب ، على سبيل المثال ، ينعكس جزء من الطاقة. يتم تبديد جزء آخر في الحرارة ، وذلك بفضل الاهتزاز الجزيئي لكل من الهواء والمواد ؛ وأخيرًا ، يمر الجزء المتبقي عبر المادة.

وبالتالي ، يمكن أن تنعكس الموجات الصوتية بنفس الطريقة التي ينعكس بها الضوء. يُعرف انعكاس الصوت باسم "الصدى". كلما كان السطح أكثر صلابة وتوحيدًا ، زادت القدرة على الانعكاس.

في الواقع ، هناك أسطح قادرة على إنتاج انعكاسات متعددة تسمى الصدى. يحدث هذا عادةً في المساحات الصغيرة ويتم تجنبه بوضع مادة عازلة ، بحيث لا تتداخل الموجات المنبعثة والمنعكسة بهذه الطريقة ، مما يجعل السمع صعبًا.

خلال كل انتشارها ، سوف تتعرض الموجة الصوتية لكل هذه الخسائر المتتالية حتى يتم امتصاص الطاقة بالكامل في الوسط. مما يعني أنه تم تحويله إلى طاقة حرارية.

هناك مقدار لتحديد قدرة المادة على امتصاص الصوت. يطلق عليه معامل الامتصاص. يشار إليها باسم α ، وهي النسبة بين الطاقة الممتصة E _abs وطاقة الحادث E _inc ، وكلها يشار إليها على المادة المعنية. يتم التعبير عنها رياضيا مثل هذا:

α = E _abs / E _inc

القيمة القصوى لـ α هي 1 (تمتص الصوت تمامًا) والحد الأدنى هو 0 (يسمح بمرور الصوت بالكامل).

يمكن أن يكون الصوت عيبًا في العديد من المناسبات عندما يفضل الصمت. على سبيل المثال ، يتم تزويد السيارات بكاتم للصوت لتخفيف ضوضاء المحرك. للأجهزة الأخرى مثل مضخات المياه ومحطات الطاقة أيضًا.

عزل الصوت مهم في استوديو التسجيل. المصدر: Pixabay.

أمثلة على الطاقة الصوتية

الطاقة الصوتية في كل مكان. فيما يلي مثال بسيط يوضح خصائص الصوت وطاقته من وجهة نظر كمية.

تمرين حل

دبوس كتلته 0.1 جم يسقط من ارتفاع 1 م. بافتراض أن 0.05٪ من طاقتها يتم تحويلها إلى نبضة صوتية مدتها 0.1 ثانية ، قم بتقدير المسافة القصوى التي يمكن عندها سماع قطرة الدبوس. خذ الحد الأدنى من شدة الصوت المسموع من 10 إلى ⁸ وات / م ².

المحلول

سيتم استخدام المعادلة المذكورة أعلاه لشدة الصوت:

السؤال الجيد هو من أين تأتي الطاقة الصوتية في هذه الحالة ، والتي تكتشفها الأذن البشرية.

الإجابة تكمن في طاقة وضع الجاذبية. بالضبط لأن الدبوس يسقط من ارتفاع معين ، حيث يكون عنده طاقة كامنة ، فإنه يحول هذه الطاقة إلى طاقة حركية عند سقوطه.

وبمجرد ارتطامها بالأرض ، تنتقل الطاقة إلى جزيئات الهواء المحيطة بموقع الاصطدام ، مما يؤدي إلى ارتفاع الصوت.

طاقة وضع الجاذبية U هي:

حيث m كتلة الدبوس ، و g تسارع الجاذبية ، و h الارتفاع الذي سقط منه. استبدال هذه القيم العددية ، ولكن ليس قبل إجراء التحويلات المقابلة في النظام الدولي للوحدات ، لدينا:

U = 0.1 × 10 ^-3 × 9.8 × 1 ج = 0.00098 ج

يقول البيان أنه من هذه الطاقة ، يتم تحويل 0.05٪ فقط لإحداث نبضة صوتية ، أي رنين الدبوس عندما يصطدم بالأرض. لذلك فإن الطاقة الصوتية هي:

_صوت E = 4.9 × 10 ^-7 J

من معادلة الشدة ، يتم مسح نصف القطر R وقيم الطاقة _{الصوتية} E ووقت استمرار النبضة: 0.1 s وفقًا للبيان.

لذلك ، فإن المسافة القصوى التي يمكن عندها سماع قطرة الدبوس هي 6.24 م في جميع الاتجاهات.

المراجع

1. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. الطبعة السادسة. برنتيس هول. 332-359.
2. كينسلر ، إل (2000). أساسيات الصوتيات. الطبعة الرابعة وايلي وأولاده. 124-125.