ENERGIA SONORA: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE, UTILIZZI, VANTAGGI, ESEMPI - FISICO - 2024

L' energia sonora o acustica che trasporta le onde sonore mentre si propagano in un mezzo, che può essere un gas come l'aria, un liquido o un solido. Gli esseri umani e molti animali utilizzano l'energia acustica per interagire con l'ambiente.

Per questo hanno organi specializzati, ad esempio le corde vocali, in grado di produrre vibrazioni. Queste vibrazioni vengono trasportate nell'aria per raggiungere altri organi specializzati incaricati della loro interpretazione.

L'energia acustica si traduce in musica attraverso il suono del clarinetto. Fonte: Pixabay

Le vibrazioni provocano successive compressioni ed espansioni nell'aria o nel mezzo che circonda la sorgente, che si propagano con una certa velocità. Non sono le particelle che viaggiano, ma oscillano semplicemente rispetto alla loro posizione di equilibrio. Il disturbo è ciò che viene trasmesso.

Ora, come è noto, gli oggetti che si muovono hanno energia. Pertanto, le onde mentre viaggiano nel mezzo portano anche con sé l'energia associata al movimento delle particelle (energia cinetica) e anche l'energia che questo mezzo possiede intrinsecamente, nota come energia potenziale.

caratteristiche

Come è noto, gli oggetti che si muovono hanno energia. Allo stesso modo, le onde mentre viaggiano nel mezzo, portano con sé l'energia associata al movimento delle particelle (energia cinetica) e anche l'energia di deformazione del mezzo o energia potenziale.

Assumendo una porzione molto piccola del mezzo, che può essere aria, ogni particella con velocità u, ha energia cinetica K data da:

Inoltre, la particella ha un'energia potenziale U che dipende dal cambiamento di volume che subisce, dove Vo è il volume iniziale, V è il volume finale ep è la pressione, che dipende dalla posizione e dal tempo:

Il segno negativo indica un aumento dell'energia potenziale, poiché l'onda propagante agisce sull'elemento volume dV quando lo comprime, grazie ad una pressione acustica positiva.

La massa dell'elemento fluido in termini di densità iniziale ρ _o e volume iniziale V _o è:

E come si conserva la massa (principio di conservazione della massa):

Quindi l'energia totale è così:

Calcolo dell'energia potenziale

L'integrale può essere risolto utilizzando il principio di conservazione della massa

La derivata di una costante è 0, quindi (ρ V) '= 0. Pertanto:

Isaac Newton ha stabilito che:

(dp / dρ) = c ²

Dove c rappresenta la velocità del suono nel fluido in questione. Sostituendo quanto sopra nell'integrale si ottiene l'energia potenziale del mezzo:

Se A _p e A _v sono rispettivamente le ampiezze dell'onda di pressione e la velocità, l'energia media ε dell'onda sonora è:

Il suono può essere caratterizzato da una quantità chiamata intensità.

L'intensità del suono è definita come l'energia che passa in un secondo attraverso l'area unitaria che è perpendicolare alla direzione di propagazione del suono.

Poiché l'energia per unità di tempo è la potenza P, l'intensità del suono I può essere espressa come:

Ogni tipo di onda sonora ha una frequenza caratteristica e trasporta una certa energia. Tutto ciò determina il suo comportamento acustico. Poiché il suono è così importante per la vita umana, i tipi di suoni sono classificati in tre grandi gruppi, in base alla gamma di frequenze udibili dall'uomo:

- Infrasound, la cui frequenza è inferiore a 20 Hz.

- Spettro udibile, con frequenze che vanno da 20 Hz a 20.000 Hz.

- Ultrasuoni, con frequenze superiori a 20.000 Hz.

L'altezza di un suono, cioè se è alta, bassa o media, dipende dalla frequenza. Le frequenze più basse vengono interpretate come suoni bassi, approssimativamente tra 20 e 400 Hz.

Le frequenze comprese tra 400 e 1600 Hz sono considerate mezzitoni, mentre le alte vanno da 1600 a 20.000 Hz. I suoni acuti sono leggeri e penetranti, mentre i bassi sono percepiti come più profondi e tonanti.

I suoni che senti ogni giorno sono complesse sovrapposizioni di suoni con varie frequenze nelle immediate vicinanze.

Il suono ha qualità diverse dalla frequenza, che possono servire come criteri per la sua classificazione. Ne sono un esempio il timbro, la durata e l'intensità.

L'equalizzatore è costituito da filtri che rimuovono il rumore e aumentano determinate frequenze per migliorare la qualità del suono. Fonte: Pixabay.

Rumore

È anche importante fare la distinzione tra suoni desiderati e suoni o rumori indesiderati. Poiché il rumore è sempre cercato di essere eliminato, è classificato in base all'intensità e al periodo in:

- Rumore continuo.

- Rumore fluttuante.

- Rumore impulsivo.

Oppure dai colori, legati alla loro frequenza:

- Rumore rosa (simile a un "shhhhhh").

- Rumore bianco (simile a un "psssssss").

- Il rumore marrone (di Robert Brown, lo scopritore del moto browniano, è un rumore che favorisce notevolmente le basse frequenze).

applicazioni

L'utilizzo che viene dato all'energia acustica dipende dal tipo di onda sonora utilizzata. Nella gamma delle onde udibili, l'uso universale del suono è quello di consentire una stretta comunicazione, non solo tra le persone, poiché gli animali comunicano anche emettendo suoni.

I suoni sono versatili. Ciascuno differisce a seconda della sorgente che lo emette. In questo modo la varietà dei suoni in natura è infinita: ogni voce umana è diversa, così come i suoni caratteristici che le specie animali utilizzano per comunicare tra loro.

Molti animali usano l'energia del suono per localizzarsi nello spazio e anche per catturare la loro preda. Emettono segnali acustici e dispongono di organi recettori che analizzano i segnali riflessi. In questo modo ottengono informazioni sulle distanze.

Agli esseri umani mancano gli organi necessari per utilizzare l'energia sonora in questo modo. Tuttavia, hanno creato dispositivi di orientamento come il sonar, basati su questi stessi principi, per facilitare la navigazione.

D'altra parte, gli ultrasuoni sono onde sonore le cui applicazioni sono ben note. In medicina vengono utilizzati per ottenere immagini dell'interno del corpo umano. Fanno anche parte del trattamento di alcune condizioni come la lombalgia e la tendinite.

Alcune applicazioni dell'energia acustica

- Con ultrasuoni ad alta energia, pietre o calcoli che si formano nei reni e nella cistifellea possono essere distrutti a causa della precipitazione di sali minerali in questi organi.

- In geofisica, gli ultrasuoni vengono utilizzati come metodi di prospezione. I suoi principi sono simili a quelli dei metodi sismici. Possono essere utilizzati in applicazioni che vanno dalla determinazione della forma dell'oceano al rilievo fino al calcolo dei moduli elastici.

- Nella tecnologia alimentare vengono utilizzati per eliminare i microrganismi resistenti alle alte temperature, nonché per migliorare alcune consistenze e qualità degli alimenti.

Vantaggio

L'energia acustica presenta vantaggi che sono in gran parte dovuti alla sua breve portata. Ad esempio, è poco costoso da produrre e non genera rifiuti chimici o di altro tipo, poiché si dissipa rapidamente nel mezzo.

Per quanto riguarda le fonti di energia acustica, sono numerose. Qualsiasi oggetto in grado di vibrare può diventare una fonte di suono.

Quando viene utilizzato in applicazioni mediche, come l'imaging a ultrasuoni, ha il vantaggio di non utilizzare radiazioni ionizzanti, come i raggi X o la tomografia. È un dato di fatto che le radiazioni ionizzanti possono causare danni alle cellule.

Il suo utilizzo non richiede le misure di protezione necessarie quando si applicano radiazioni ionizzanti. I kit sono anche più economici.

Allo stesso modo, l'energia ultrasonica è un metodo non invasivo per eliminare i suddetti reni e calcoli biliari, evitando così procedure chirurgiche.

In linea di principio non genera inquinamento né nell'aria né nelle acque. Ma è noto che c'è inquinamento acustico nei mari, causato da attività umane come la pesca intensiva, la prospezione geofisica e il trasporto.

svantaggi

È difficile pensare agli svantaggi che può avere un fenomeno naturale come il suono.

Uno dei pochi è che i suoni forti possono danneggiare la struttura del timpano e nel tempo far perdere la sensibilità alle persone continuamente esposte.

Ambienti molto rumorosi finiscono per provocare stress e disagio nelle persone. Un altro svantaggio è forse il fatto che l'energia acustica non viene utilizzata per muovere oggetti, rendendo molto difficile sfruttare le vibrazioni per influenzare oggetti solidi.

Questo perché il suono richiede sempre l'esistenza di un mezzo per potersi propagare, e quindi è facilmente attenuabile. In altre parole, l'energia sonora viene assorbita nel mezzo più rapidamente di quella di altri tipi di onde, ad esempio quelle elettromagnetiche.

Per questo motivo l'energia delle onde sonore è relativamente a corto raggio nell'aria. Il suono viene assorbito dalle strutture e dagli oggetti mentre si propaga e la sua energia si dissipa gradualmente in calore.

Naturalmente, questo è legato alla conservazione dell'energia: l'energia non viene distrutta ma cambia forma. Le vibrazioni delle molecole nell'aria non si trasformano solo in variazioni di pressione che danno origine al suono. Anche le vibrazioni danno origine al calore.

Assorbimento acustico nei materiali

Quando le onde sonore colpiscono un materiale come un muro di mattoni, ad esempio, una parte dell'energia viene riflessa. Un'altra parte viene dissipata in calore, grazie alla vibrazione molecolare sia dell'aria che del materiale; e infine la frazione rimanente passa attraverso il materiale.

Pertanto, le onde sonore possono essere riflesse allo stesso modo della luce. Il riflesso del suono è noto come "eco". Più la superficie è rigida e uniforme, maggiore è la capacità di riflettere.

Esistono infatti superfici in grado di produrre riflessioni multiple chiamate riverberi. Solitamente ciò avviene in spazi ridotti e viene evitato posizionando materiale isolante, in modo che in questo modo le onde emesse e riflesse non si sovrappongano, rendendo difficile l'udito.

Durante tutta la sua propagazione, l'onda acustica subirà tutte queste perdite successive fino a quando l'energia non sarà completamente assorbita nel mezzo. Ciò significa che è stato trasformato in energia termica.

C'è una grandezza per quantificare la capacità di un materiale di assorbire il suono. Si chiama coefficiente di assorbimento. È indicato come α, ed è il rapporto tra l'energia assorbita E _abs e l'energia incidente E _inc , tutte riferite al materiale in questione. È espresso matematicamente in questo modo:

α = Mi _ass / Mi _inc

Il valore massimo di α è 1 (assorbe completamente il suono) e il minimo è 0 (lascia passare tutto il suono).

Il suono può essere uno svantaggio in molte occasioni in cui si preferisce il silenzio. Ad esempio, le auto sono dotate di silenziatori per attutire i rumori del motore. Ad altri dispositivi come pompe dell'acqua e centrali elettriche.

L'isolamento acustico è importante in uno studio di registrazione. Fonte: Pixabay.

Esempi di energia sonora

L'energia sonora è ovunque. Ecco un semplice esempio che illustra le proprietà del suono e la sua energia da un punto di vista quantitativo.

Esercizio risolto

Un perno di massa 0,1 g cade da un'altezza di 1 m. Supponendo che lo 0,05% della sua energia venga convertito in un impulso sonoro della durata di 0,1 s, stimare la distanza massima alla quale si può sentire la caduta del perno. Prendi come intensità acustica minima ^10-8 W / m ² .

Soluzione

L'equazione data sopra verrà utilizzata per l'intensità del suono:

Una buona domanda è da dove proviene l'energia sonora in questo caso, quella la cui intensità viene rilevata dall'orecchio umano.

La risposta è nell'energia potenziale gravitazionale. Proprio perché il perno cade da una certa altezza, alla quale aveva energia potenziale, mentre cade trasforma questa energia in energia cinetica.

E una volta che colpisce il suolo, l'energia viene trasferita alle molecole d'aria che circondano il luogo dell'impatto, dando origine al suono.

L'energia potenziale gravitazionale U è:

Dove m è la massa del perno, g è l'accelerazione di gravità e h è l'altezza da cui è caduto. Sostituendo questi valori numerici, ma non prima di aver effettuato le conversioni corrispondenti nel Sistema Internazionale di unità, abbiamo:

U = 0,1 x 10 ^-3 x 9,8 x 1 J = 0,00,098 mila J

L'affermazione dice che di questa energia, solo lo 0,05% si trasforma per dare origine all'impulso sonoro, cioè al tintinnio dello spillo quando colpisce il pavimento. Pertanto l'energia sonora è:

E _{il suono} = 4.9 x 10 ^-7 J

Dall'equazione dell'intensità, il raggio R viene cancellato e vengono sostituiti i valori dell'energia _sonora E e il tempo di durata dell'impulso: 0,1 s secondo l'affermazione.

Pertanto la distanza massima alla quale la caduta del perno sarà udibile è di 6,24 m in tutte le direzioni.

Riferimenti

1. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. Sesta edizione. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Fondamenti di acustica. 4 ° Ed. Wiley & Sons. 124-125.