Manifestaciones específicas de la energía sonora.

La energía sonora es una forma de energía. Su esencia es la transferencia y transformación de energía mecánica en forma de ondas a través del medio de propagación después de que el objeto vibra. A su vez, también se produce la transferencia y transformación de otras energías. Puede reducirse a energía mecánica para producir sonido. El cambio se puede revertir. Golpee el diapasón para recoger la forma de onda del sonido.

El experimento encontró que: cuando se golpea ligeramente el diapasón, la amplitud del diapasón es pequeña, la amplitud de la forma de onda es pequeña y el sonido emitido por el diapasón también es pequeño; cuando el diapasón se golpea con fuerza, la amplitud del diapasón es grande y la amplitud de la forma de onda es grande. El diapasón también emite un sonido fuerte.

Explicación: El volumen está relacionado con la amplitud de la vibración del diapasón. Cuanto mayor es la amplitud, mayor es el volumen; cuanto menor es la amplitud, menor es el volumen. Clasificadas por frecuencia, las ondas sonoras con una frecuencia inferior a 20 Hz se denominan ondas infrasónicas; las ondas sonoras con una frecuencia de 20 Hz ~ 20 kHz se denominan ondas sonoras con una frecuencia de 20 kHz ~ 1 GHz se denominan ondas sonoras con una frecuencia; superiores a 1GHz se denominan ultrasonidos especiales o ultrasonidos por microondas.

Incluso si no hay otra fuente de sonido, las partículas de aire siempre oscilan de forma irregular, o siempre son turbulentas, y estimulan un débil "ruido blanco". No existe un espacio atmosférico absolutamente silencioso. El llamado ruido de fondo también incluye los sonidos desordenados de muchas fuentes de sonido en la naturaleza o en el entorno humano, que no tienen ningún valor informativo para la comunicación oral. Las paredes de la habitación o las colinas empinadas también tienen un efecto de eco, y el ruido se amplifica y realza. El sonido del habla y sus ecos retardados se suman para formar un eco complejo. El ruido blanco también se encuentra en instrumentos y equipos electroacústicos. La gente se molesta cuando el ruido, que no tiene valor comunicativo, es fuerte. Curiosamente, las personas se sentirán incómodas si permanecen durante mucho tiempo en una habitación anecoica con un ruido mínimo. El uso apropiado de ruidos como las maracas en la música aporta valor de apreciación artística.

Existe una historia interesante en la antigüedad sobre cómo la gente eliminaba inteligentemente las vibraciones. Durante la dinastía Tang, un instrumento musical colgado en la habitación de un monje en un templo en Luoyang a menudo sonaba automáticamente sin razón aparente. El monje se asustó y enfermó, y buscó tratamiento en todas partes sin éxito. Tenía un amigo que era funcionario encargado de la música en la corte imperial y fue a visitarlo después de enterarse de la noticia. En ese momento, escuché el repique de la campana en el templo y el instrumento musical volvió a sonar. Entonces mi amigo dijo: Puedo curar tu enfermedad porque he encontrado la causa raíz de tu enfermedad. Acabo de ver a un amigo encontrar una lima de hierro y afilarla en el instrumento unas cuantas veces, y el instrumento ya no hacía ningún ruido automáticamente. Mi amigo me explicó que la frecuencia de vibración de este instrumento es consistente con la de las campanas del templo, por lo que cuando se golpea la campana, el instrumento sonará en consecuencia. Ahora, si limas el instrumento un poco, cambiará su naturalidad. frecuencia de vibración, ya no puede sonar con la campana del templo. El monje comprendió de repente y la enfermedad se curó.

Los peatones en la calle, el ruido de los vehículos, el ruido de las máquinas: estos ruidos continuos no sólo afectan la vida normal de las personas, sino que también dañan el oído. Entonces la gente inventó un silenciador, que se compone de una placa de orificio con muchos agujeros pequeños y una cavidad. Cuando la frecuencia del ruido transmitido es la misma que la frecuencia natural del silenciador, se producirá una explosión violenta con la columna de aire dentro. los pequeños agujeros. **Vibrar. De esta manera, una parte considerable del ruido puede "tragarse" durante la vibración y también puede convertirse en energía térmica para su uso.

Cuando la "fuente de sonido" vibra en el aire, comprime el aire por un tiempo, volviéndolo "denso" por un tiempo, el aire se expande y se vuelve "escaso", formando una serie de ondas; que varían en densidad y densidad se transmite energía vibratoria. Este tipo de onda cuya dirección de vibración de la partícula del medio es consistente con la dirección de propagación de la onda se llama "onda longitudinal".

Si estamos familiarizados con la teoría cinética molecular, sabremos que dado que las moléculas del medio que estudiamos son estacionarias y están distribuidas uniformemente, entonces, para las ondas longitudinales, cuando el oscilador avanza, ocupará el espacio en frente donde las moléculas del medio originalmente estaban distribuidas uniformemente y comprime las moléculas del medio originales en un pequeño espacio para formar una parte densa. La distancia entre las moléculas en la parte densa se vuelve más pequeña y la fuerza molecular presentada es la repulsión. La fuerza repulsiva hace que las moléculas se muevan centrífugamente a su alrededor.

Como resultado del movimiento centrífugo, el pequeño espacio que originalmente era la parte densa se convierte en la parte dispersa, y el espacio circundante se convierte en la nueva parte densa. Entonces, desde una perspectiva macro, es equivalente a que la parte densa original se vuelva escasa y la parte densa se expanda. Luego, la nueva parte escasa también se extiende.

Sin embargo, cabe señalar que aunque las ondas sonoras son generalmente ondas longitudinales, cuando se propagan en sólidos, también pueden tener ondas longitudinales y ondas transversales al mismo tiempo. La velocidad de las ondas transversales es aproximadamente 50-60 de la velocidad de las ondas longitudinales. .

Las ondas sonoras en el aire son ondas longitudinales. La razón es que los gases y una cantidad considerable de líquidos (llamados colectivamente fluidos) no pueden soportar la fuerza de corte, por lo tanto, las ondas sonoras no pueden ser ondas transversales cuando se propagan en los fluidos; pero los sólidos no sólo pueden resistir tensiones de compresión (de tracción), también pueden resistir tensiones de corte, por lo que en los sólidos pueden haber ondas tanto longitudinales como transversales. Las partículas de aire vibran de la misma manera que vibra el cuerpo fuente del sonido. Cuando las ondas sonoras llegan al tímpano humano, hacen que el tímpano vibre de la misma manera. La energía que hace vibrar el tímpano proviene del cuerpo fuente del sonido, que es energía mecánica ordinaria.

Diferentes sonidos son diferentes modos de vibración, que permiten distinguir diferente información. El oído humano puede distinguir el sonido del viento, la lluvia y las voces de diferentes personas, así como varios sonidos del habla. Todos son ondas de información diferentes que provienen de la fuente del sonido.

Algunos animales pueden emitir ondas ultrasónicas generadas desde la garganta a través de la cavidad bucal o nasal, y utilizar el sonido refractado para orientarse. Este método de orientación espacial se llama ecolocalización. Por ejemplo, el murciélago "Radar Flying Beast" puede volar con precisión a velocidades extremadamente rápidas en completa oscuridad, sin chocar nunca con los objetos que tiene delante. Si tiene las orejas tapadas y la boca bloqueada, perderá la capacidad de evitar colisiones con objetos. Después de la medición mediante un dispositivo de detección de pulso de alta frecuencia, se confirmó que cuando los murciélagos vuelan, se generan pulsos ultrasónicos en la garganta que son inaudibles para los oídos humanos y pueden emitirse desde la boca a través de la boca.

Los humanos pueden oír sonidos con una frecuencia de hasta 20 kilohercios, mientras que algunos murciélagos pueden emitir y oír sonidos de hasta 100 kilohercios. Al encontrar comida u obstáculos, la onda del pulso se reflejará hacia atrás. El murciélago usa sus dos oídos para recibir la onda reflejada del objeto y determinar la posición del objeto en consecuencia. También puede identificar la diferencia entre los ecos recibidos de sus dos. oídos. La distancia, la forma y la naturaleza del objeto se distinguen por la longitud de onda del eco.

La mayoría de los murciélagos pueden hacer vibrar su lengua para emitir sonidos, algunos emiten chirridos agudos y otros pueden emitir sonidos a través de sus fosas nasales. Todos ayudan al murciélago a determinar la dirección del eco y decidir si avanzar o girar. Los murciélagos pueden utilizar ondas ultrasónicas para "navegar" en el aire y capturar insectos voladores de forma rápida y precisa. Además, algunos mamíferos marinos pueden emitir ondas sonoras con una amplia banda de frecuencia bajo el agua, incluso hasta 300.000 Hz. Por ejemplo, las ballenas dentadas y los delfines pueden confiar en el reflejo del sonido de la tierra cercana para utilizar la ecolocalización para determinar la dirección y conocer la ubicación de objetos o costas. Algunas focas y leones marinos también pueden emitir ondas ultrasónicas bajo el agua.

El método de detectar la orientación y distancia de los objetos utilizando el principio de reflexión de ondas durante la propagación se llama "ecolocalización". La "ecolocalización" animal se refiere a la forma en que los animales se orientan en el espacio emitiendo ondas sonoras y utilizando los ecos reflejados por los objetos. Tiene dos funciones: atrapar presas y evitar objetos.

Según las investigaciones, se sabe que casi todas las especies del suborden Microbats en el reino animal, el género Fruit Bats del suborden Macrobats, las ballenas dentadas del orden Cetáceos, las focas y los leones marinos del orden Los pinnípedos, los insectívoros de la familia Magnaidae, las musarañas de cola corta de la familia de las musarañas, los guácharos de América del Sur, las salanganas del sudeste asiático y algunos peces tienen la capacidad de ecolocalizarse. Todos tienen sistemas de sonar naturales en sus cuerpos que completan la ecolocalización. El sonar se compone principalmente de "transmisor acústico", "receptor de eco" e "indicador de distancia".

La conversión de energía sonora implica tanto cambios físicos como cambios químicos, porque esta es la conversión de energía. El medio producirá una serie de efectos bajo la acción de la energía sonora, como efectos mecánicos, efectos de calentamiento y luminiscencia, efectos químicos, efectos de descarga y efectos biológicos, etc. La propagación del sonido debe tener tres elementos: fuente sonora, medio de transmisión y receptor.

La fuente del sonido es el objeto que genera la vibración; el medio de propagación es el canal por donde fluye la energía; el receptor es el dispositivo que percibe el sonido. Por ejemplo, cuando se toca un instrumento musical, el instrumento musical es la fuente de sonido, el aire es el medio de transmisión y los oídos son los dispositivos receptores para detectar el sonido. La gama de energía sonora forma un campo sonoro. Hay una pérdida de energía en la transmisión del sonido, también llamada absorción. Cuando la distancia es relativamente grande, no podemos escuchar el sonido y el cambio en la intensidad del sonido es proporcional al cuadrado de la distancia de propagación (ley del cuadrado inverso). .

Cuando las ondas sonoras se propagan en un medio, si no hay medio para propagarse, no se producirá ningún sonido.

Cuando las ondas sonoras se propagan a las interfaces circundantes, provocarán vibraciones en otros sólidos, etc. La sensibilidad del sonar para delfines es muy alta. Puede detectar cables metálicos con un diámetro de 0,2 mm y cuerdas de nailon con un diámetro de 1 mm a varios metros de distancia. Puede distinguir dos señales con una diferencia de tiempo de sólo 200 segundos. escuelas a cientos de metros de distancia, cúbrase los ojos y muévase de manera flexible y rápida a través de una piscina llena de postes de bambú sin tocar los postes de bambú; el sonar de delfines tiene una fuerte capacidad de "reconocimiento de objetivos" y no solo puede identificar diferentes peces, sino también distinguir latón, aluminio y baquelita, plásticos y otros materiales diferentes, también puede distinguir entre el eco de su propio sonido y la onda sonora que la gente graba y reproduce; la capacidad antiinterferencia del sonar de delfines también es sorprendente si hay interferencia de ruido. , elevará su grito. La intensidad del sonido puede abrumar el ruido para que el propio juicio no se vea afectado. Además, el sonar con delfines también tiene la capacidad de expresar emociones. Se ha confirmado que los delfines son animales con "lenguaje"; su "conversación" es precisamente a través de su sistema de sonar.

En particular, el más preciado de los cuatro únicos delfines de agua dulce que quedan en el mundo, el delfín de punta blanca que habita en el curso medio y bajo del río Yangtze en mi país, tiene una clara "división del trabajo". " en su sistema de sonar, que se utiliza para posicionamiento y comunicación. Algunos se utilizan con fines de alarma y policía, y tienen funciones especiales de modulación de fase mediante modulación de frecuencia. La unidad de intensidad del sonido es el "decibelio". Cuanto mayor es el valor, mayor es la amplitud y más fuerte es el sonido. Cuando alcanza un cierto nivel, se convierte en ruido. Cuando alcanza el nivel superior, ya no podemos sentir el sonido, pero sigue ahí.

Se pueden superponer algebraicamente diferentes sonidos. El ultrasonido es una onda sonora con una frecuencia superior a 20.000 Hz. Tiene buena direccionalidad, gran capacidad de penetración y es fácil obtener energía sonora concentrada. Se propaga a larga distancia en el agua y se puede utilizar para medir distancias, medir velocidad. espera de limpieza, soldadura, grava, esterilización y desinfección. Tiene muchas aplicaciones en medicina, ciencia, ejército, industria y agricultura.

El ultrasonido recibe su nombre porque su límite inferior de frecuencia es aproximadamente igual al límite superior de la audición humana. Bajo la condición de la misma amplitud, la energía de un objeto que vibra es proporcional a la frecuencia de vibración. Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio, la frecuencia de vibración de las partículas del medio es muy alta, por lo que la energía es muy grande.

El ultrasonido y el sonido audible son esencialmente lo mismo. Su principal similitud es un modo de vibración mecánica, que generalmente se propaga en medios elásticos en forma de ondas longitudinales, que es un tipo de propagación de energía, su diferencia. La razón es que las ondas ultrasónicas tienen alta frecuencia, longitud de onda corta y buena emisión y direccionalidad del haz cuando se propagan en línea recta dentro de una cierta distancia. El rango de frecuencia que se usa actualmente en la ecografía abdominal es de entre 2 y 5 MHz, y se usa comúnmente. como 3∽3,5 MHz (una vibración por segundo es 1 Hz, 1 MHz = 10 ^ 6 Hz, es decir, 1 millón de vibraciones por segundo, la frecuencia de las ondas audibles está entre 16 y 20 000 HZ).

Las reglas de propagación de las ondas ultrasónicas, como la reflexión, la refracción, la difracción y la dispersión en el medio, no son esencialmente diferentes de las reglas de las ondas sonoras audibles. Pero la longitud de onda de las ondas ultrasónicas es muy corta, sólo unos pocos centímetros o incluso milésimas de milímetro. En comparación con las ondas sonoras audibles, las ondas ultrasónicas tienen muchas características extrañas: características de propagación: la longitud de onda de las ondas ultrasónicas es muy corta y el tamaño de los obstáculos ordinarios es muchas veces mayor que la longitud de onda de las ondas ultrasónicas. Por lo tanto, la capacidad de difracción de las ondas ultrasónicas. es muy pobre. Puede propagarse en línea recta direccional. Cuanto más corta es la longitud de onda de la onda ultrasónica, más significativa es esta característica. Características de potencia: cuando el sonido se propaga en el aire, empuja las partículas en el aire para que vibren hacia adelante y hacia atrás y trabaja sobre las partículas. La potencia de las ondas sonoras es una cantidad física que indica qué tan rápido funcionan las ondas sonoras.

Bajo una misma intensidad, cuanto mayor es la frecuencia de la onda sonora, mayor es la potencia que tiene. Debido a que la frecuencia de las ondas ultrasónicas es muy alta, su potencia es muy grande en comparación con las ondas sonoras ordinarias. Cavitación ─ Cuando las ondas ultrasónicas se propagan en el medio, hay un ciclo alterno de presión positiva y negativa. En la fase de presión positiva, las ondas ultrasónicas aprietan las moléculas del medio, cambiando la densidad original del medio y haciéndola aumentar; la fase de presión negativa, cuando se presiona la fase, las moléculas del medio son escasas y están más dispersas, y la densidad del medio se reduce. Cuando se utilizan ondas ultrasónicas con solo una gran amplitud para actuar sobre el medio líquido, la distancia promedio entre. Las moléculas del medio excederán la distancia molecular crítica que mantiene el medio líquido sin cambios, el medio líquido se romperá y formará microburbujas. Estas pequeñas cavidades se expanden y cierran rápidamente, provocando violentas colisiones entre partículas líquidas, generando así presiones de varios miles a decenas de miles de atmósferas.

Esta interacción violenta entre partículas hará que la temperatura del líquido aumente repentinamente, desempeñando un buen papel de agitación, emulsionando dos líquidos inmiscibles (como agua y aceite) y acelerando la disolución de los solutos. Los diversos efectos provocados por la acción de las ondas ultrasónicas en los líquidos se denominan cavitación ultrasónica.

Ondas sonoras con frecuencias superiores a 2×10 kilohercios. Se denomina ultrasonidos a la rama de la acústica que estudia la generación, propagación, recepción de ondas ultrasónicas, así como diversos efectos y aplicaciones de los ultrasonidos. Los dispositivos que generan ondas ultrasónicas incluyen generadores ultrasónicos mecánicos (como silbatos de aire, silbatos de vapor, silbatos de líquido, etc.), generadores ultrasónicos eléctricos fabricados utilizando los principios de inducción electromagnética y acción electromagnética, y el efecto electroestrictivo de cristales piezoeléctricos y ferromagnetismo. transductores fabricados por el efecto magnetoestrictivo de la materia, etc.

La acción mecánica de las ondas ultrasónicas puede favorecer la emulsificación de líquidos, licuación de geles y dispersión de sólidos. Cuando se forma una onda estacionaria en un medio fluido ultrasónico, las pequeñas partículas suspendidas en el fluido se condensan en los nodos de la onda debido a la acción de la fuerza mecánica, formando acumulaciones periódicas en el espacio. La acción de los ultrasonidos puede favorecer o acelerar determinadas reacciones químicas. Por ejemplo, el agua destilada pura producirá peróxido de hidrógeno después del tratamiento ultrasónico; el agua con nitrógeno disuelto producirá ácido nitroso después del tratamiento ultrasónico. Las soluciones acuosas de tinte cambiarán de color o se desvanecerán después del tratamiento ultrasónico. La aparición de estos fenómenos siempre va acompañada de cavitación. El ultrasonido también puede acelerar los procesos de hidrólisis, descomposición y polimerización de muchas sustancias químicas.

Los ultrasonidos también tienen un impacto significativo en los procesos fotoquímicos y electroquímicos. Después del tratamiento ultrasónico de soluciones acuosas de varios aminoácidos y otras sustancias orgánicas, las bandas espectrales de absorción características desaparecen y muestran una absorción general uniforme, lo que indica que la cavitación ha cambiado la estructura molecular. Las ondas sonoras emitidas por la vibración del objeto se propagan y la energía de la onda sonora se propaga gradualmente. La difusión de energía reduce la energía presente por unidad de área y el sonido que se escucha se vuelve más débil. La energía de las ondas sonoras por unidad de área disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente de sonido.

Cuando las ondas sonoras se propagan en un medio sólido, la viscosidad del medio provoca una fricción interna entre las partículas, convirtiendo así parte de la energía sonora en energía térmica, al mismo tiempo, debido a la conducción de calor del mismo; Medio, la densidad y la densidad del medio. El intercambio de calor se produce entre partes dispersas, lo que resulta en la pérdida de energía sonora. Este es el fenómeno de absorción del medio. Esta atenuación del medio se llama atenuación por absorción. Generalmente se cree que la atenuación de la absorción es proporcional a la primera potencia de la frecuencia de la onda sonora y al cuadrado de la frecuencia.

La atenuación de las ondas sonoras provocada por la presencia de estructuras granulares en el medio (como partículas suspendidas y burbujas en líquidos, estructuras granulares, defectos, inclusiones en sólidos, etc.) se denomina atenuación por dispersión. Generalmente se cree que cuando el tamaño de las partículas es mucho menor que la longitud de onda, la atenuación de la dispersión es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia; cuando el tamaño de las partículas es similar a la longitud de onda, la atenuación de la dispersión es proporcional al cuadrado de la frecuencia; . Según las características mecánicas de la fuente sonora, la contaminación acústica se puede dividir en: ruido provocado por perturbaciones de gases, ruido provocado por vibraciones sólidas, ruido provocado por impactos de líquidos y ruido electromagnético provocado por la acción electromagnética. El ruido se puede dividir en ruido de alta frecuencia según la frecuencia del sonido: 1000 Hz.

Las propiedades del ruido que varían en el tiempo se pueden dividir en: ruido de estado estacionario, ruido de estado no estacionario, ruido de fluctuación, ruido intermitente y ruido de pulso, etc. La energía del sonido en propagación se atenúa a medida que aumenta la distancia, por lo que mantener la fuente de ruido alejada del lugar donde se requiere silencio puede lograr el propósito de reducir el ruido. La radiación del sonido es generalmente direccional. En lugares con la misma distancia de la fuente de sonido pero en diferentes direcciones, la intensidad del sonido recibido será diferente.

Sin embargo, cuando la mayoría de las fuentes de sonido irradian ruido a bajas frecuencias, la directividad es muy pobre; a medida que aumenta la frecuencia, la directividad aumenta. Aplicar materiales fonoabsorbentes y estructuras fonoabsorbentes para convertir la energía sonora del ruido que se propaga en energía térmica, etc. Cuando la energía del sonido incidente se refleja por completo, α=0 significa que no hay absorción de sonido; cuando la onda de sonido incidente no se refleja en absoluto, α=1 significa que se absorbe por completo.

El coeficiente de absorción acústica de materiales o estructuras generales es α=0~1. Cuanto mayor sea el valor α, mejor será la energía de absorción acústica. Actualmente es el parámetro más utilizado para caracterizar el rendimiento de la absorción acústica. La absorción acústica es el fenómeno de la pérdida de energía después de que las ondas sonoras golpean la superficie de los materiales. La absorción acústica puede reducir los niveles de presión sonora en interiores. El índice que describe la absorción acústica es el coeficiente de absorción acústica a, que representa la relación entre la energía sonora absorbida por el material y la energía sonora incidente.

Teóricamente, si un material refleja completamente el sonido, entonces es a=0; si un material absorbe toda la energía sonora incidente, entonces es a=1. De hecho, a de todos los materiales está entre 0 y 1, lo que significa que es imposible reflejar todos los materiales y absorberlos todos. Habrá diferentes coeficientes de absorción acústica en diferentes frecuencias. La curva característica de frecuencia del coeficiente de absorción acústica se utiliza para describir el rendimiento de absorción acústica de materiales a diferentes frecuencias. Según las normas ISO y las normas nacionales, el rango de frecuencia del coeficiente de absorción acústica en el informe de prueba de absorción acústica es de 100 a 5 KHz. El valor obtenido al promediar los coeficientes de absorción acústica de 100-5 KHz es el coeficiente de absorción acústica promedio, que refleja el rendimiento general de absorción acústica del material.

En ingeniería, el coeficiente de reducción de ruido NRC se utiliza a menudo para evaluar aproximadamente el rendimiento de absorción de sonido en el rango de frecuencia del habla. Este valor es la aritmética del coeficiente de absorción de sonido del material en las cuatro frecuencias de 250. , 500, 1K y 2K Promedio, redondeado a 0,05. Generalmente se considera que los materiales con NRC inferior a 0,2 son materiales reflectantes y los materiales con NRC superior o igual a 0,2 se consideran materiales fonoabsorbentes. Cuando es necesario absorber una gran cantidad de energía sonora para reducir la reverberación y el ruido en interiores, a menudo es necesario utilizar materiales con altos coeficientes de absorción acústica. Por ejemplo, la lana de vidrio centrífuga y la lana de roca son materiales con alto NRC que absorben el sonido. El NRC de lana de vidrio centrífuga de 5 cm de espesor y 24 kg/m3 puede alcanzar 0,95.

Un sonómetro generalmente consta de un micrófono de condensador, un preamplificador, un atenuador de imagen de ruido, un amplificador, una red de frecuencímetro y un medidor indicador de valor efectivo. El principio de funcionamiento del sonómetro es: el micrófono convierte el sonido en una señal eléctrica y luego el preamplificador convierte la impedancia para que coincida con el micrófono y el atenuador. El amplificador agrega la señal de salida a la red, realiza una ponderación de frecuencia en la señal (o conecta un filtro externo) y luego amplifica la señal a una cierta amplitud a través del atenuador y el amplificador, y la envía al detector de valor efectivo.