när världen fortsätter att leta efter alternativa bränslekällor för att mata sin omättliga aptit på energi samtidigt som man minskar beroendet av fossila bränslen, kan en ny källa ligga på en oväntad plats: ljuden runt oss.
undersökningar av ljudenergi har pågått i många år, men användningen av ljud som energikälla är fortfarande i sina växande stadier. Denna artikel kommer att titta på vad som menas med ljudenergi, dess olika användningsområden och dess livskraft som en alternativ energikälla.
Vad Är Ljudenergi?
det finns många olika typer av energi, och ljudenergi är resultatet av vibrationer av ljudvågor.
men hur händer detta faktiskt? När en störning får ett objekt eller ämne att vibrera, rör sig energin som produceras av vibrationen genom objektet som ljudvågor. Det vibrerande föremålet eller ämnet måste vara antingen fast, flytande eller gas.
något så grundläggande som att vifta våra händer i ett ämne som luft skulle orsaka tillräckligt med vibrationer som leder till ljudvågor. Ljudvågorna som produceras med dessa medel är inte tillräckligt höga för att höras av människor, men principen är densamma för ljudvågor som hörs till våra trumhinnor. Vibrationerna får molekyler i ämnet att stöta på varandra och skapa en knock-on-effekt som leder till produktion av ljudvågor.
det finns två huvudtyper av vågor: längsgående (eller kompression) vågor och tvärgående vågor. Longitudinella vågor bildas när vågorna rör sig i samma riktning som kraften som verkar på substansen. Områden där vågorna är mest kompakta kallas kompressioner; de områden där vågorna är mest utsträckta kallas sällsynta.
tvärgående vågor rör sig å andra sidan i en riktning som är vinkelrät mot den applicerade kraften. Medan longitudinella vågor kan förekomma i något av tre ämnen—fasta ämnen, flytande eller gaser—kan tvärgående vågor bara röra sig genom fasta ämnen.
vibrationerna som producerar dessa ljudvågor känns av våra öron, vilket då förstår dem. För att mänskliga öron ska kunna upptäcka en ljudvibration måste den röra sig någonstans mellan 20 vibrationer per sekund och 20 000 vibrationer per sekund. Fler ljudvibrationer per sekund Indikerar ett högre ljud. Dessa ljudvibrationer mäts i Hertz, vilket anger frekvensen för ett ljud.
ljudets ljudstyrka mäts dock i decibel (dB), med normal konversation på cirka 60 dB.
Hur Används Ljudenergi?
källa
även om uppmärksamhet på ljudenergi som en möjlig ersättning för andra kraftkällor är ett relativt nytt fenomen, finns det exempel på ljudenergi som vi människor länge har använt för vitala aktiviteter.
ett exempel på ljudenergi har bidragit till att rädda liv. När piloter bail ut ur ett flygplan som upplever motorproblem och de går ner till sjöss, kan de släppa en liten explosiv laddning som avger ljudenergi.
ljudet av ett litet sprängämne färdas tusentals meter i djuphavet eftersom det är fångat i deep sound channel, känd som SOFAR eller Sound Fixing and Ranging Channel. Ljudet kan sedan plockas upp av speciella enheter i havet och platsen för den nedåtgående piloten konstateras, vilket möjliggör deras räddning.
ett annat exempel på ljudenergi är en som är bekant för många av oss—användningen av ultraljud. Ultraljud består av mycket högfrekventa längsgående vågor som kan användas för att bryta upp gall-och njurstenar. Det används också ofta för medicinska avbildningsändamål under en kvinnas graviditet.
ett tredje exempel på ljudenergi är en som normalt inte är associerad med människor—ekolokalisering. Det är allmänt känt att djur som delfiner, valar och fladdermöss använder ekolokalisering för att hjälpa dem att navigera och jaga. Dessa varelser skickar ut ljudvågor som studsar av föremål och återvänder till dem som ekon, vilket indikerar platsen för byte eller hinder i deras väg.
men visste du att vissa människor också använder ekolokalisering? Vissa blinda och synskadade gör det genom att klicka på ljud med tungorna eller knacka med käpparna. Ljudvågorna de skapar studsar av objekt och tjänar till att informera dem om deras plats, storlek och struktur.
Kan Ljudenergi Ersätta Fossila Bränslen?
källa
forskare har undersökt ljudenergi som en av de förnybara energiformerna under de senaste decennierna. Forskare är intresserade av det eftersom ljudenergi innehåller två typer av mekanisk energi—potential och kinetisk—vilket innebär att den har kapacitet att göra arbete. Läs mer i vår guide som förklarar skillnaden mellan potentiell och kinetisk energi.
tekniken för att utnyttja ljudenergi som kraftkälla har dock ännu inte nått det stadium där den kan användas i skala. Till exempel genererar ljudet från en pneumatisk borr, något som de flesta av oss tycker är för intensivt, bara så mycket av en hundradels watt energi per kvadratmeter, medan solenergi över samma område skulle producera så mycket som 680 Watt.
ändå gör ljudets genomslagskraft i vår miljö att utnyttja ljudenergi för kraft en tantalizing utsikter. Forskare hänvisar till detta som akustisk energiskörd, och forskning om dess potential som kraftkälla har huvudsakligen fokuserat på tre tekniker: Helmholtz resonatorer, akustiska metamaterial och termoakustiska motorer. Låt oss ta en närmare titt på alla tre.
Helmholtz-resonatorer
Helmholtz-resonatorer används för att förstärka eller absorbera ljud. I ett experiment drog forskare på den här egenskapen för att fånga och förstärka ljud på en järnvägsstation. De omvandlade sedan ljudenergin till elektrisk energi med hjälp av en elgeneratormodul. Den resulterande effekten var tillräcklig för att driva små elektroniska enheter.
akustiska metamaterial
dessa typer av material är utformade för att manipulera ljudvågor för att uppnå ett visst mål. De som utvecklas för att utnyttja ljudenergi förstärker både inkommande ljudvågor och koncentrerar energin från ljudvågorna för att möjliggöra omvandling till elektrisk energi. Piezoelektriska strukturer används ofta för att utforma akustiska metamaterial.
Termoakustiska motorer
dessa typer av motorer omvandlar värme till ljudenergi från vilken elektrisk energi sedan skördas. Termoakustiska motorer anses vara en enkel och pålitlig teknik att använda. Det förlitar sig dock på en extern strömförsörjning för att driva sin energiskördningsprocess, till skillnad från de andra två. Bland dess tillämpningar är återvinning av bilavgasavfall för att minska utsläppen, som sedan omvandlas till ljudenergi från vilken elektrisk energi skördas.
dessa metoder för akustisk energiskörd är dock begränsade i sin verkliga tillämpning. En anledning är att vissa metoder fungerar med endast ett smalt band av frekvenser, medan många av de ljud som finns tillgängliga för ljud skörd i det moderna livet är i bredbandsfrekvensområdet. En allierad begränsning är att de områden som används för att samla ljud, som i fallet med akustiska metamaterial, är vanligtvis mycket små, så inte mycket energi kan samlas in.
är ljudenergi en förnybar energikälla?
källa
användningen av energi från akustik som förnybar energikälla är fortfarande mer i sina experimentella stadier. Ett sådant experiment fångade bruset som genererades i tre busstationer. Med hjälp av akustiska metamaterial, nämligen piezoelektriska, omvandlade det detta ljud till elektrisk energi.
forskarna sa att deras mål var att minska användningen av icke-förnybara energikällor samtidigt som man skapar ”grön hållbar elektrisk energi” som kan användas för att driva gatubelysning. De platser där de fångade ljud rutinmässigt hade ljudnivåer på cirka 80 decibel och den fångade energin gav cirka 0,024 watt timmar från ett område runt 1,5 meter kvadrat.
några företag verkar dock ha gjort framsteg med användningen av denna form av energi i kommersiell skala. En avdelning för energifinansierad teknik, känd som ResonantAcoustics Mixing (RAM), utvecklad av Resodyn Corp.marknadsförs för användning i industrier som blandar som en stor del av deras produktionsprocess.
ljudvibrationer används för att blanda vätskor och uppslamningar, såsom vid tillverkning av keramik, livsmedel och läkemedel, och för vattenrening. Hittills har företaget sålt blandarna både i USA och utomlands och har infört blandare med mycket varierande kapacitet.
en annan kommersiell tillämpning av ljudenergi som förnybar energi görs av flygplanstillverkaren Boeing. Företaget lämnade in ett patent 2015 för en teknik som skulle skörda ljuden från jets som startade på flygplatser och skulle omvandla det ljudet till el för användning som kraft.
ännu en patenterad ljudenergiapplikation utvecklades av forskare vid RMIT University i Australien. Forskarna där har patenterat en teknik som använder högfrekventa ljudvågor för att leverera vaccinationer genom inandning snarare än att använda nålar.
en ännu mer jordnära tillämpning av ljudenergiteknik innebär en sonisk spis utvecklad av University of Nottingham-forskare, som använder ljudenergi för att producera el för att driva spisar. Kaminerna, som producerar 36 watt el, har testats i Asien. Det anses vara en transformativ teknik eftersom många människor i Afrika söder om Sahara och vissa delar av Asien saknar elförsörjning.
Kan Ljudenergi Lagras?
källa
samma fråga som hindrade upptaget av de flesta former av förnybar energi under flera år uppstår med ljudenergi: hur lagrar du energin efter att du har fångat den?
vanligtvis kommer någon form av mekanisk våg, inklusive ljudvågor, att ändra sin form när de kommer i kontakt med ett objekt. En del av det kommer att absorberas av materialet det kommer i kontakt med eller det kommer att spridas. När ljudvågorna absorberas blir de en annan form av energi.
forskare har utvecklat ett sätt att lagra ljudenergi tills den behövs så att den endast omvandlas till elektrisk energi på begäran. Känd som sammanhängande virtuell absorption, stör tekniken i grunden hur ljudvågor vanligtvis interagerar med material för att låta energin lagras snarare än att gå förlorad eller omvandlas till elektrisk energi innan den behövs.
för nästan två decennier sedan lämnades ett patent in för en teknik för att lagra energi från ljud. Det handlar om användning av svänghjul som skulle lagra elektrisk energi under långa perioder och sägs vara en särskilt användbar anordning för lagring i avlägsna områden.
huruvida någon av dessa tekniker och patent så småningom kommer att ta fart och bli mainstream eller utvecklas för användning i stor skala återstår att se. Men de lyfter fram att forskare engagerar sig i den pressande utmaningen att hitta alternativ till förorenande fossila bränslen som driver klimatförändringar och naturkatastrofer över hela världen. Alla sådana ansträngningar bör därför applåderas.
Är Ljudenergi Bara För Dina Öron?
som den här artikeln visar, gör ljudenergi mycket mer än att tillgodose behoven hos oss människor att kommunicera, oavsett om det är genom användning av musikinstrument eller tal. Artikeln har visat några av de många möjliga tillämpningarna av vetenskapen bakom hur ljudenergi reser på grund av luftmolekyler och de tekniska innovationerna som uppnås. Sådan forskning kommer kanske att leda till enheter som använder akustik som ger synskadade ännu större oberoende. Det kan också finnas upptäckter av nya sätt att lokalisera förlorade människor eller föremål, eller att utnyttja denna förnybara resurs för el.
kommer till dig av taranergy.com
alla bilder är licensierade från Adobe Stock.
utvalda bilder