آیا می توانیم از انرژی صوتی برای تبدیل سر و صدا به شکل انرژی استفاده کنیم؟ به نظر می رسد دیوانه کننده است ، اما ما انواع مختلفی از انرژی را پیوسته کشف می کنیم – به ویژه در مورد انرژی های تجدید پذیر – و انرژی صوتی فقط یک نوع دیگر است؛ در سراسر جهان ، به سختی می توان جایی را یافت که سر و صدا بخشی از چشم انداز نباشد. از غرش ترافیک تا صدای آلات موسیقی ، انسان سر و صدای زیادی ایجاد می کند. انواع مختلفی از صداها از شنیدنی تا نامفهوم وجود دارد؛ بسته به بلندی صدا ، میزان صدای مختلف ، انواع صدا ، منبع صدا و شدت صدا ، ممکن است منابع صوتی برای گوش انسان خوشایند یا ناخوشایند باشد. صرف نظر از این ، انرژی صوتی حرکت می کند و بسته به منبع صدا و شدت صدا ، گاهی اوقات می توان صدا را آلاینده در نظر گرفت؛ بنابراین انرژی صوتی دقیقاً چیست؟ انرژی صوتی در حال تبدیل صدا به الکتریسیته است. اگرچه علم تبدیل انرژی صوتی به الکتریسیته هنوز در حال ظهور است ، اما انجام شده است. برای مثال ، میکروفون ها و بلندگوها نمونه هایی از تبدیل صدا به انرژی الکتریکی هستند؛ در واقع ، گروهی از دانش آموزان جوان دبیرستانی چگونگی تولید برق کافی با انرژی صوتی برای روشن کردن یک لامپ را کشف کردند. مسلماً این فاصله زیادی با تولید برق کافی برای تأمین برق خانه یا کل شهر دارد. اما این یک شروع است و علم پشت آن در حال توسعه است. بیایید در مورد دنیای جذاب صدا ، از جمله نمونه های انرژی صوتی ، بیشتر بیاموزیم.
چگونه امواج صوتی را می شنویم؟
مکانیزم شنوایی برخی از مکانیزم های انرژی صوتی را نشان می دهد؛ وقتی صدایی را می شنویم ، امواج صوتی را تجربه می کنیم که به داخل مجرای گوش وارد می شوند و پرده گوش را حرکت می دهند ، درست مانند این که سر طبل هنگام ضربه ارتعاش می کند. صداهای مختلف ارتعاشات متفاوتی ایجاد می کنند که بر نحوه حرکت پرده گوش تأثیر می گذارد؛ ارتعاشات از طریق پرده گوش به استخوان حلزون شنوایی (اندامی پر از مایع) منتقل می شود و باعث ایجاد امواج سطحی می شود که به سلول های مویی ضربه می زند. بسته به محل قرارگیری سلول های مویی در حلزون ، مغز صداهای بلند یا پایین را از طریق عصب شنوایی “می شنود”. سپس ارتعاشات اولیه مولکول های هوا در موج صوتی را به صداهایی که ما می فهمیم ترجمه می کند؛ در فیزیک ، مطالعه صدا به عنوان آکوستیک شناخته می شود و شامل تمام سازه های صدا می شود.
تعریف انرژی صوتی چیست؟
به زبان ساده ، انرژی صوتی از ارتعاشاتی که در چیزی حرکت می کنند ناشی می شود. جامدات ، مایعات و گازها همه صدا را به صورت امواج انرژی منتقل می کنند؛ انرژی صوتی زمانی حاصل می شود که نیرویی اعم از صدا یا فشار باعث ارتعاش جسم یا ماده شود. این انرژی بصورت امواج از طریق ماده حرکت می کند. آن امواج صوتی را انرژی مکانیکی جنبشی می نامند.
چرا به امواج صوتی امواج مکانیکی گفته می شود؟
موج های صوتی گاهی امواج مکانیکی نامیده می شوند زیرا امواج صوتی برای انتشار به محیط فیزیکی نیاز دارند. مایعات ، گازها یا مواد جامد تغییرات فشار را منتقل می کنند و انرژی مکانیکی را در امواج ایجاد می کنند؛ مانند همه امواج ، امواج صوتی دارای قله و دره هستند. قله ها فشردگی نامیده می شوند ، در حالی که نازک شدن اصطلاحی است که برای کمترین ها استفاده می شود.
نوسانات بین فشرده سازی و نازک شدن از طریق محیط های گازی ، مایع یا جامد برای تولید انرژی حرکت می کند. تعداد چرخه های فشرده سازی/نازک شدن در یک دوره معین ، فرکانس یک موج صوتی را تعیین می کند؛ دانشمندان شدت و فشار انرژی صوتی را در پاسکال و دسیبل اندازه گیری می کنند. موج های صوتی گاهی موج فشار نیز نامیده می شوند زیرا فشار موج صوتی ذراتی را که از آنها عبور می کند حرکت می دهد.
امواج صوتی چگونه اندازه گیری می شوند؟
طول موج ، دوره ، دامنه و فرکانس چهار قسمت اصلی یک موج صوتی هستند ، صرف نظر از نوع موج و رسانه ای که صدا از آن عبور می کند.
- طول موج: موجی را تصور کنید که در امتداد یک محور افقی حرکت می کند. در این حالت ، طول موج به عنوان فاصله افقی بین دو نقطه متوالی و معادل روی موج اندازه گیری می شود. بنابراین ، از نظر اصولی ، یک طول موج واحد یک چرخه بین دو نقطه مساوی است.
- دوره: یک دوره طول موج زمانی است که طول یک طول موج برای گذراندن یک نقطه خاص طول می کشد. به طور کلی ، یک دوره طولانی تر گام کمتری را نشان می دهد.
- دامنه: دامنه صدا (قدرت یا سطح فشار صدا) را با ارتفاع موج صوتی اندازه گیری می کنیم. این مربوط به حجم نسبی صدا است. هنگامی که دامنه موج قابل توجه است – مانند صدای بلند – موج زیاد است. برعکسش هم درست است؛ صداهای نرمتر امواج با دامنه کوچکتر تولید می کنند. حجم کمتر برابر است با سطوح دسی بل پایین تر (dB). یک دسی بل شدت صدا را اندازه گیری می کند. صفر دسی بل برابر با بی صدا ترین صداهایی است که گوش انسان می تواند بشنود. دسی بل شش برابر افزایش می یابد. صدای معمولی 60 دسی بل است.
- فرکانس: هرتز (هرتز) فرکانس موج صوتی را اندازه گیری می کند. هرتز چرخه های یک موج صوتی را در ثانیه اندازه گیری می کند که از یک نقطه مشخص در محور افقی عبور می کند. (به یاد داشته باشید ، هر فرایند دارای یک فشرده سازی و یک نازک شدن است.) امواج صوتی فرکانس بر حسب هرتز اندازه گیری می شود. بنابراین ، هرتز (هرتز) تعداد چرخه هایی را در ثانیه نشان می دهد که از یک مکان مشخص عبور می کنند. به عنوان مثال ، اگر هنگام صحبت کردن ، دیافراگم شما در 900 هرتز ارتعاش می کند ، دیافراگم شما 900 فشرده (افزایش فشار) و 900 نازک سازی (کاهش فشار) ایجاد می کند. گام تابعی از نحوه تفسیر فرکانس صدا توسط مغز است. ارتفاع بیشتر نتیجه فرکانس بالاتر است. فرکانس پایین تر به عنوان گام پایین تر ترجمه می شود.
آیا انرژی صوتی انرژی بالقوه است یا جنبشی؟
وقتی انرژی می تواند کار کند اما به طور فعال نیرو اعمال نمی کند ، به آن انرژی بالقوه می گویند؛ در فیزیک ، کار با انرژی منتقل شده اندازه گیری می شود. وقتی چیزی توسط یک نیروی خارجی از مسافت دور منتقل می شود ، کار می کند؛ فنر کلاف دار Slinky نمونه ای از انرژی بالقوه است. تا فنر آزاد نشود ، کار نمی کند. کار زمانی اتفاق می افتد که فنر حرکت می کند (آزاد می شود) و تبدیل به انرژی جنبشی می شود. انرژی جنبشی انرژی حرکت است.
انرژی صوتی می تواند هر دو باشد: یا انرژی جنبشی یا انرژی بالقوه؛ یک مثال ممکن است یک ساز موسیقی باشد. وقتی ساز نواخته می شود ، امواج صوتی تولید می کند و انرژی جنبشی تولید می کند. اما وقتی همان ساز موسیقی در حالت استراحت است ، فقط پتانسیل انرژی وجود دارد.
آیا امواج صوتی ویژگی ها و رفتارها را به اشتراک می گذارند؟
علاوه بر اجزای اصلی موج – فرکانس ، دامنه ، طول موج و فرکانس – دانشمندان امواج را بر اساس سه ویژگی متمایز دسته بندی می کنند: حرکت طولی ، عرضی و سطحی.
استفاده از حرکت ذرات یک واسطه نسبت به جهت حرکت یک روش استاندارد برای تشخیص نوع موج است.
برای درک امواج عرضی ، ما دوباره در مورد Slinky صحبت می کنیم. حرکت اسلینکی را در حالت متناوب بالا و پایین دست خود در نظر بگیرید. انرژی این “فعال شده” اسلینکی به صورت عمودی در امتداد جهت حرکت حرکت می کند و سیم پیچ ها (که در این مورد ذرات موج را نشان می دهند) به بالا و پایین جابجا می کند.
انواع امواج عرضی عبارتند از:
- ارتعاشات در یک سیم گیتار
- طرفداران ورزش ایستاده و نشسته در یک موج همزمان در اطراف یک ورزشگاه ورزشی
- امواج الکترومغناطیسی ، مانند نور و امواج رادیویی
از طرف دیگر ، امواج طولی انرژی موج را به راست یا چپ در امتداد محور افقی موج حرکت می دهند. بنابراین اسلینکی ما ، هنگامی که به صورت افقی کشیده شده و مانند یک آکاردئون به صورت افقی تپش می کند ، در امتداد جهت حرکت چپ به راست خود موازی با محور موج ، به صورت افقی تپش می کند؛ مواج صوتی ، امواج اولتراسوند و امواج P لرزه ای ، امواج طولی هستند؛ ویژگی اصلی موج سطحی حرکت دایره ای ذرات آن است. فقط ذرات روی سطح وسیله به صورت دایره ای حرکت می کنند. حرکت با دور شدن ذرات از سطح کاهش می یابد.
نمونه های انرژی صوتی چیست؟
انرژی صوتی زمانی ایجاد می شود که یک جسم ارتعاش کند. سر و صدا ، چه در محدوده شنوایی انسان باشد چه نباشد ، انرژی صوتی است. موسیقی سونار ، اولتراسونیک (بیشتر از 20 کیلو هرتز) ، گفتار و سر و صدای محیطی همه انواع انرژی صوتی هستند؛ چه از یک جسم بی جان و چه از یک موجود حساس ، صداها از همه جا می آیند. برخی از آنها برای شنوایی ما خوشایند هستند ، برخی دیگر نه. این مثال های انرژی صوتی و احساسی که در شما ایجاد می کنند را در نظر بگیرید:
- سوزن سوزن شدن بلند و ظریف یا زنگ های عمیق و پر جنب و جوش باد
- موتور غوغا می کند ، لاستیک ها صدای گوش خراش ایجاد می کنند ، صدای رادیوها بلند می شود و ترمزهای اتومبیل ها صدا جیغ
- نوزادان گریه می کنند ، غرغر می کنند ، فریاد می زنند و می خندند
- سگ ها پارس می کنند ، خرخر می کنند یا زوزه می کشند
- تلفن ها زنگ می زنند ، وزوز می زنند یا صدای جرنگ میدهند
- باران ، وزش باد و رعد و برق
- گربه ها در حال خرخر کردن ، میو و خاراندن هستند
- انسانها و حیوانات در حال تنفس ، خروپف ، عطسه یا خس خس سینه هستند
- سرخ کردن ، ترک خوردن ، جوشاندن ، خرد کردن و کوبیدن آشپزخانه شلوغ
- موجها به هم می ریزند و عقب می روند
- موتورها در حال حرکت ، چرخش ، ضربه زدن و غرش هستند
- صداهای ملایم ، بلند ، برنجی ، صاف ، عمیق ، نی مانند ، خشن و متمایز از موسیقی
- صدای سفید کم و مداوم تهویه مطبوع
- حتی وقتی به ظاهر آرام است ، همیشه صدا وجود دارد.
انرژی صوتی چگونه برق تولید می کند؟
ارتعاشات صوتی می توانند از طریق قاعده القای الکترومغناطیسی به انرژی الکتریکی تبدیل شوند. القای الکترومغناطیسی با استفاده از میدان مغناطیسی جریان الکتریکی ایجاد می کند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی و یک رسانا ، مانند سیم پیچ ، در ارتباط با یکدیگر حرکت می کنند ، القای الکترومغناطیسی رخ می دهد. تا زمانی که رسانا در یک مدار بسته باشد ، هرجا که رسانا از خطوط نیروی مغناطیسی عبور کند ، جریان می یابد.
پیزوالکتریک چیست و چه ارتباطی با انرژی صوتی دارد؟
پیزوالکتریکی از بلورهای منحصر به فرد برای تبدیل انرژی مکانیکی – در این مورد ، انرژی موج صوتی – به انرژی الکتریکی استفاده می کند؛ تحت فشار ، کریستال ها به عنوان رسانا عمل می کنند. هنگامی که بلورها فشرده می شوند ، ساختار آنها تغییر می کند و کریستال بار خالصی را به دست می آورد. این بار را می توان به جریان الکتریکی تبدیل کرد؛ مواد دیگر مانند استخوان ، سرامیک مخصوص و مینا نیز رسانای پیزوالکتریک هستند. این مواد توانایی تولید بار الکتریکی داخلی را به دلیل اعمال فشار مکانیکی دارند.
با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بسیار بالا-فرکانس های 100 میلیون بار بیشتر از آنچه مردم می توانند بشنوند-مواد پیزوالکتریک به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند که امواج نوری را در محدوده فرکانس تراهرتز منتشر می کنند.
پیزوالکتریک حالتهای الکتریکی و مکانیکی مواد پیزوالکتریک را یکی می کند. تحت فشرده سازی ، مواد مورد استفاده دارای جریان جاری است که قطبش آن را به یک بار الکتریکی تبدیل می کند ، که به عنوان گشتاور خالص دوقطبی شناخته می شود.
آینده انرژی الکتریکی تولید شده توسط انرژی صوتی چگونه است؟
همانطور که می دانیم ، صداها به طور مداوم محیط صوتی ما را پر می کنند. مانند همه انرژی ها ، انرژی صوتی نیز توانایی تولید برق را دارد. همانطور که خورشید انرژی نامحدود خورشیدی و نسیم انرژی باد را فراهم می کند ، انرژی صوتی نیز تجدیدپذیر است زیرا موجودات حساس و اجسام بی جان به طور مداوم صدا تولید می کنند؛ در حالی که امواج صوتی و اصول تولید انرژی مدتهاست که شناخته شده است ، فناوری تبدیل انرژی صوتی به الکتریسیته در مراحل اولیه خود است؛ با این حال ، همانطور که دانشمندان و تکنسین ها در حال بررسی و بهبود فناوری های مربوط به برق تولید شده توسط صدا هستند ، انرژی صوتی ممکن است روزی برق جرمی تولید کند.
اگر به نظر می رسد که رویایی بیش نیست ، به یاد داشته باشید که انرژی خورشیدی و باد زمانی از دست ما خارج بود.
منبع: برنیکا
