strona główna na komputer

strona główna na telefon

125. Energia fal akustycznych

Fale akustyczne (dźwiękowe) rozchodzą się w ośrodkach materialnych. Fale te w powietrzu, to rozchodzące się zaburzenia gęstości gazu.

Energia fal akustycznych

Fala akustyczna (inaczej dźwiękowa) polega na rozchodzeniu się zaburzeń ośrodka materialnego. Przemieszczają się zaburzenia, ale nie przemieszcza się materia (poza lokalnymi, bardzo małymi przemieszczeniami – drganiami cząsteczek ośrodka).

Spis treści

Energia fal akustycznych

Moc układu emitującego dźwięk

Definicja mocy

Natężenie dźwięku

Prosty (idealny) generator dźwięków

Energia docierająca do wybranej powierzchni

Całkowita energia, która dotarła do ściany

Natężenie dźwięku docierającego do ściany

Poziom natężenia dźwięku

Poziom natężenia dźwięku

Zmiana poziomu natężenia dźwięku wraz z odległością

Jak daleko może rozchodzić się dźwięk?

Fala akustyczna niesie ze sobą energię. Źródłem energii fal akustycznych jest układ drgający – źródło dźwięku.

Energia niesiona przez falę akustyczną pochodzi ze źródła dźwięku czyli ciało powodujące drgania ośrodka traci energię. Ilość energii przekazywanej w jednostce czasu do ośrodka nazywamy mocą źródła dźwięku. Energia wyemitowana przez źródło dźwięku przechodzi do ośrodka i przemieszcza się w tym ośrodku.

Rozchodzenie się fal, a wie i energii, zależy od ośrodka. Najczęściej spotykanym przypadkiem jest rozchodzenie się fal dźwiękowych w powietrzu. W mieszaninie gazów tworzących powietrze powstają różne lokalne fluktuacje ośrodka. Lokalne zaburzenia ośrodka dają różne warunki do rozchodzenia się fal akustycznych.

Z uwagi na dużą ilość cząsteczek ośrodka, w większej objętości możemy mówić o ośrodku jednorodnym. W takim ośrodku fale akustyczne rozchodzą się równomiernie we wszystkie strony.

Inna przyczyna powodująca różne rozchodzenie się dźwięku w powietrzu wynika z własności ciała wywołującego fale akustyczne. Każdy układ emitujący fale akustyczne ma specyficzną dla siebie charakterystykę przestrzenną emisji dźwięku. Inaczej mówimy, że każdy głośnik ma swoistą charakterystykę kierunkową.

Wszelkie obliczenia dla ciał emitujących drgania są na ogół bardzo złożone. Jedynym prostym przypadkiem jest sytuacja, gdy założymy sferyczną symetrię emisji dźwięku. W sytuacji takiej dźwięk (zaburzenie ośrodka) rozchodzi się wzdłuż promienia kuli o środku w punkcie emisji.

Dalej zakładać będziemy właśnie emisję (rozchodzenie się dźwięku) o symetrii sferycznej. Ponadto pomijać będziemy pochłanianie energii dźwięku przez ośrodek.

Moc układu emitującego dźwięk

Definicja mocy

Moc średnią emitowaną przez źródło określamy jako iloraz energii emitowanej przez źródło przez czas tej emisji. Moc mierzymy w watach czyli w dżulach na sekundę.

Moc chwilowa to moc średnia w coraz krótszych przedziałach czasu czyli granica ilorazu emitowanej energii przez czas emisji, gdy przedział czasu emisji zmniejsza się do zera.

Natężenie dźwięku

Natężenie dźwięku to moc fali dźwiękowej przypadająca na jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali.

Jednostki energii promieniowania to takie same jednostki jak dla pracy mechanicznej, pracy prądu elektrycznego, energii mechanicznej czyli dżul i jego podwielokrotności oraz wielokrotności.

Podobnie jest z jednostkami mocy – jednostka mocy promieniowania są waty i jednostki od niego pochodne.

Jednostką natężenia promieniowania jest wat na metr kwadratowy i jednostki pochodne.

W praktycznym użyciu są stosowane jednostki spoza układu SI – zamiast dżuli i jego wielokrotności używane są kilowatogodziny i jednostki wynikające z ich zastosowania.

Jedna kilowatogodzina to praca wykonana przez urządzenie pracujące z mocą jednego kilowata przez godzinę. Oznacza to, że 1 kilowatogodzina równa jest 3 miliony 600 tysięcy dżuli.

Prosty (idealny) generator dźwięków

W jednorodnym, idealnym, ośrodku (powietrzu) znajduje się głośnik emitujący fale dźwiękowe. Głośnik pracował przez 3 minuty i przekazał w formie drgań energię o wartości 60 J.

Z jaką średnią mocą pracował ten głośnik?

Dane:

- wyemitowana energia E,

- czas t.

Szukane

Średnia moc głośnika P = ?

Energia docierająca do wybranej powierzchni

Jaka energia akustyczna dotarła w ciągu sekundy do powierzchni prostokątnej ściany o wymiarach 4 m na 6 m znajdującej się w odległości 10 m od głośnika?

Dane:

- praca wykonana przez głośnik W,

- czas t,

- odległość ściany od głośnika r,

- szerokość ściany a,

- długość ściany b.

Szukane

Moc odebrana przez powierzchnię ściany

Całkowita energia, która dotarła do ściany

Jaka energia dotarła do ściany w ciągu pracy głośnika?

Dane:

- energia wyemitowana przez głośnik E,

- czas t,

- odległość ściany od głośnika r,

- szerokość ściany a,

- długość ściany b.

Szukane

Energia, która dotarła do ściany

Natężenie dźwięku docierającego do ściany

Jaka jest wartość natężenia dźwięku docierającego do ściany?

Dane:

- energia przeniesiona przez fale akustyczne E,

- czas t,

- odległość ściany od głośnika r,

- szerokość ściany a,

- długość ściany b.

Szukane

Natężenie dźwięku docierającego do ściany

Poziom natężenia dźwięku

Natężenie dźwięku wyrażane w watach na metr kwadratowy nie jest wygodną jednostką. Ucho jest bardzo czułym organem. Równocześnie ucho reaguje w zbliżony sposób na natężenie dźwięku bardzo różniące się. Dlatego wprowadzono inną wielkość i jednostki. Nową wielkością odpowiadającą fizjologicznym właściwościom ucha jest poziom natężenia dźwięku mierzony w belach lub decybelach. Ucho słyszy dźwięki mające minimalne natężenie 0,000 000 000 001 wata na metr kwadratowy. Temu natężeniu przypisujemy poziom natężenia równy 0 B (o dB). Dźwięk mający natężenie większe 10 razy, czyli 0,000 000 000 01 wata na metr kwadratowy ma poziom natężenia 1 B (10 dB). I podobnie dalej

Jak niewielkie natężenia dźwięku wywołują wrażenia słuchowe – 30 dB to poziom odpowiadający szeptowi.

Większe natężenia dźwięku, np. 0,01 wata na metr kwadratowy ma poziom natężenia 100 dB.

Poziom natężenia dźwięku

Jaki jest poziom natężenia dźwięku głośnika z poprzednich zadań tuż przy ścianie?

Dane:

- energia przeniesiona przez fale akustyczne E,

- czas t,

- odległość ściany od głośnika r,

- szerokość ściany a,

- długość ściany b.

Szukane

Poziom natężenie dźwięku docierającego przy ściany

Zmiana poziomu natężenia dźwięku wraz z odległością

Jaki jest poziom natężenia dźwięku głośnika z poprzednich zadań w odległości 1 m od głośnika?

<>Dane:

- energia przeniesiona przez fale akustyczne E,

- czas t,

- odległość ściany od głośnika r,

- szerokość ściany a,

- długość ściany b.

Szukane

Poziom natężenie dźwięku docierającego przy ściany

Jak daleko może rozchodzić się dźwięk?

W jakiej odległości od głośnika ucho nie usłyszy emitowanego dźwięku?

Dane:

- energia przeniesiona przez fale akustyczne E,

- czas t,

- odległość ściany od głośnika r,

- szerokość ściany a,

- długość ściany b.

Szukane

Odległość dla której poziom natężenia dźwięku będzie równy 0 dB


Powrót na początek strony