امواج صوتی

امواجصوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج می‌توانند در جامدات ،مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده این فیزیک امواج ، درراستای انتشار موج نوسان می‌کنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گسترهوسیعی از بسامدها به وجود می‌آیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواجصوتی در محدوده‌ای قرار گرفته‌اند که می‌توانند گوش و مغز انسان را برایشنیدن تحریک کنند.

این محدوده تقریبا از ۲۰ هرتز تا حدود ۲۰۰۰۰هرتز است و گستره شنیده شدنی نامیده می‌شود. فیزیک امواج مکانیکی طولی راکه بسامدشان زیر گستره شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی ، و آنهایی کهبسامدشان بالای این گستره باشد ، امواج فراصوتی گویند.

تولید صوت :

هرگاه به جسمی ضربه می‌زنیم لایه‌های هوا بین دست ما در جسم جابجا می‌شوند واگر این جابجاییها بیش از ۱۶ بار در ثانیه باشند، صدا ایجاد می‌شود. برایاینکه بهتر بتوانیم نقش اندامهای گفتار را در تولید آواهای زبان فارسیمورد مطالعه قرار دهیم، ابتدا به نظر می‌رسد لازم است مطالب مختصری دربارهچگونگی تولید آوا یا صوت ارائه کنیم.

آوا یا صوت از ارتعاشمولکولهای هوا حاصل می‌شود. ارتعاش یعنی حرکت مولکولهای هوا از جای خود درمسیر معین و بازگشت آنها به جای اولیه. این پدیده فیزیکی را اصطلاحا موجمی‌نامیم. برای آنکه بتوانیم یک تصویر تقریبی از طرز بوجود آمدن موج صوتیرا مجسم کنیم پاندولی را در نظر می‌گیریم. اگر وزنه پاندول را به یک طرفکشیده آن را رها سازیم، پاندول با سرعت ، به منتهی الیه طرف دیگر رفتهدوباره در همان مسیر بجای اول می‌گردد. این حرکت به دفعات زیاد صورتمی‌گیرد، ولی در هر دفعه خط سیر آن اندکی کوتاهتر می‌شود تا اینکه وزنهپاندول دوباره به حالت اولیه یعنی سکون در آید.

وزنه پاندول در اینحرکت ، لایه‌ای از مولکولهای هوا را با خود به جلو می‌راند و این عمل موجبمی‌شود که در یک سوی وزنه ، رقت مولکولی در سوی دیگر تراکم مولکولی ایجادشود. رقت یعنی زیاد شدن فاصله بین مولکولها و تراکم یعنی کم شدن فاصلهآنها. اگر با دو دست یک لاستیک را بکشیم طول لاستیک زیاد می‌شود یا به سخندیگر ، لاستیک کش می آید.

علت این موضوع آن است که فاصله بینمولکولها در قسمتهای میانی لاستیک زیاد شده و مولکولها بین دو سر لاستیکزیاد شده و مولکولها به طرف دو سر لاستیک کشانده می‌شوند و در نتیجه فاصلهمیان مولکولها در دو سر لاستیک کم می‌شود. بدین ترتیب در قسمت میانیلاستیک رقت مولکولی و در دو سر آن تراکم مولکولی ایجاد می‌شود. اکنون اگردو سر لاستیک را رها کنیم مولکولها دوباره به جای اولیه خود بر می‌گردند.

خاصیت ارتجاعی هوا :

هوانیز دارای همین خاصیت ارتجاعی است، منتهی به مراتب بیشتر از لاستیک. هررقت و تراکم مولکولی در هوا موجب رقت و تراکمهای دیگر می‌گردد. بدین معنیکه ، هنگامی که یک لایه از مولکولهای هوا به جلو رانده می‌شود این لایه بهنوبه خود لایه دیگری را به جلو می‌راند و خود به حال اول بر می‌گردد. لایهجدیدی نیز لایه دیگری را ، و به همین ترتیب این عمل بارها و بارها تکرارمی‌گردد تا انرژی به پایان برسد. این جابجایی مولکولها اگر بیش از ۱۶مرتبهدر ثانیه تکرار گردد صدا بوجود می‌آید.

اگر کتابی را از ارتفاعمعینی به طرف زمین رها کنیم بر اثر سقوط کتاب ، فشار هوای بین کتاب و زمینزیاد می‌شود و این فشار ، مولکولهای هوا را به اطراف می‌راند. مولکولهایرانده شده به نوبت مولکولهای مجاور خود را به جلو رانده و خود به حالت اولبر می‌گردند. این عمل آنقدر تکرار می‌شود تا انرژی حاصل از سقوط کتاب بهپایان برسد. هنگام تماس کتاب با زمین صدایی به گوش می‌رسد، در صورتی که دراثنای سقوط آن صدایی شنیده نمی‌شود.
علت این است که هنگام تماس کتاب بازمین ، بر اثر زیاد بودن مقدار انرژی جابجا شدن مولکولها یا همان رقت وتراکم هوا خیلی بیشتر از ۱۶ مرتبه در ثاینه است و به این علت صدای حاصلهقابل شنیدن می‌باشد. هر رقت و تراکم یک سیکل نام دارد و تعداد سیکل درثانیه تواتر یا بسامد نامیده می‌شود. بنابراین ، وقتی می‌گوییم فرکانس (تواتر) موج مثلا ۵۰۰ سیکل است، یعنی ۵۰۰ مرتبه رقت و تراکم در مولکولهایهوا ایجاد شده است. هر قدر بسامد بیشتر باشد صدا به اصطلاح زیرتر است ونیز قدر بسامد کمتر باشد صدا اصطلاحا بمتر است.

چشمه فیزیک امواج فروصوتی و فراصوتی :

فیزیکامواج فروصوتی که با آنها سروکار داریم معمولا توسط چشمه‌های بزرگ تولیدمی‌شوند. امواج زمین لرزه‌ای از آن جمله‌اند. بسامدهای بالای مربوط بهفیزیک امواج فراصوتی را می‌توان به وسیله ارتعاشات کشسان یک بلور کوارتزکه بر اثر تشدید با یک میدان الکتریکی متناوب در بلور القا شده است ،ایجاد کرد. به این طریق می‌توان بسامدهای فراصوتی به بزرگی ۶×۱۰۸ هرتزتولید کرد. طول موج متناظر با این بسامد در هوا در حدود ۵×۱۰-۵ سانتی‌متراست که همان حدود طول موج نور مرئی است.

مشخصات فیزیکی :

جابجایییا ارتعاش مولکولهای هوا در تمام جهات صورت می‌گیرد و بسته به مقدار انرژیموجود ، هر لایه از مولکولها مسافتی را طی می‌کنند. به سخن دیگر هر چهانری بیشتر باشد مسافتی را که موج می‌پیماید بیشتر است. طول مسافتی را کههر طبقه از مولکولهای هوا طی نموده و دوباره به جای اولیه خود بر می‌گردددامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زیادتر باشد صدا بلندتر است. بلندی صدارا با زیر و بمی آن نباید اشتباه کرد، زیرا بلندی صدا مربوط به تعدادارتعاش در ثانیه است.

بنابراین صدای ممکن است بم ولی بلند باشد. بالعکس صدای دیگری ممکن است زیر ولی کوتاه باشد. اگر امواج صوتی در مسیرحرکت خود به جسمی از قبیل پرده گوش برخورد کنند و آن را به همان اندازهمرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسیله اندامهای گوش داخلی به مراکز اعصابشنوایی منتقل گشته و در نتیجه صدا شنیده می‌شود و عکس العمل لازم صادرمی‌شود.

چشمه فیزیک امواج شنیده شدنی :

فیزیک امواج شنیدهشدنی در تارهای مرتعش (بلندگو ، طبل) ایجاد می‌شوند. همه این عناصر مرتعشبه تناوب هوای پیرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت بهطرف عقب ، رقیق می‌کنند. هوا این آشفتگیها را بصورت موج از چشمه به خارجانتقال می‌دهد. این فیزیک امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت رابوجود می‌آورند. موجهایی که تقریبا متناوب هستند و یا تعداد کمی ازمؤلفه‌های تقریبی متناوب را شامل می‌شوند، احساس خوشایندی بوجود می‌آورند (اگر شدت خیلی زیاد نباشد) اصوات موسیقی از این جمله‌اند. صوتی که شکل موجآن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنیده می شود. نوفه را می‌توان برهمنهشی ازامواج متناوب دانست که در آن تعداد مؤلفه‌ها خیلی زیاد است.

یک آزمایش ساده :

دوسر یک سیم فولادی به طول یک متر و به قطر یک میلیمتر را که کشیده شده وبوسیله دو قطعه سنگ یا آهن محکم شده است ، در نظر می‌گیریم. حال اگر وسطسیم را به کناری کشیده و رها کنیم صدایی شنیده نمی‌شود، در صورتی کهارتعاش آن کاملا به چشم دیده می‌شود. ولی اگر یک طرف سیم را به کنار یکلنگه در تخته‌ای متصل کنیم و آزمایش را دوباره انجام دهیم، صدای آن کاملاشنیده می‌شود، با وجود آنکه ارتعاش آن مشهود نیست. علت این امر آن است کهدر دفعه اول هوای مجاور سیم بجای اینکه تراکم و انبساط پیدا کند، روی سیملغزیده است و در مرتبه دوم هوای مجاور لنگه در ، مجال لغزیدن و رسیدن بهکنار آن را قبل از تجدید ارتعاش نداشته است.

امواج صوتی در جامدات و مایعات :

همانطورکه درون هوا ارتعاشات طولی توام با تراکم و انبساط منتشر می‌شود، به همانطریق نیز ارتعاشات طولی توأم با تراکم و انبساط در داخل مایعات و جامداتانتشار پیدا می‌کنند. اگر میله فلزی را برای لحظه کوتاهی در امتداد خودشکشیده و رها کنیم ، تراکم و انبساط در طول میله انتشار پیدا خواهد کرد وهمین طور اگر نقطه‌ای از جسم جامد را مرتعش سازیم (به عنوان مثال با چکشبه گوشه یک قطعه سنگ یا فلز بزنیم) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروی درتمام جسم مرتعش منتشر می‌شوند.
مخصوصا نباید چنان کرد که انتشار تراکمو انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنیدنی است، بلکه هر نوع ارتعاش باهر فرکانس ممکن است در آنها انتشار یابد. تنها فرقی که جامدات و مایعات درانتقال صوت با هوا و گاز دارند در زیاد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.

مشاهدات تجربی :

چیزیکه در موقع انتشار صوت در هوا انتقال می‌یابد، هوا نیست. به دلیل اینکهصدای هواپیما از ابر و دود غلیظ عبور کرده و به ما می‌رسد. بدون آنکه ابررا پراکنده ساخته و با خود به طرف ما بیاورد.

هوا در حین انتشارصوت جلو و عقب می‌رود. یعنی مرتعش می‌شود. برای مشاهده این امر کافی استیک قطعه فیلم عکاسی را بین دو انگشت گرفته و در مقابل آن با آواز بلندبخوانیم، در اینصورت حرکت رفت و آمد تند فیلم را به خوبی در محل اتصالانگشتان خود با فیلم حس می‌نماییم.

عبور فیزیک امواج صوتی در هوابا کم و زیاد شدن فشار (انبساط و تراکم) همراه می‌باشد. در جدار لوله صوتیسوراخی درست کرده و سپس ورقه نازک کاغذی روی آن می‌چسبانیم و از خارج بهاین کاغذ پاندول سبک ساده از چوب آقطی آویزان نموده و لوله را بطور افقینگاه به بالا و پایین رفتن می‌کند. اگر تنها هوا حرکت می‌کرد و اختلاففشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمی‌کرد زیرا حرکت ارتعاشی هوایدرون لوله موازی با سطح کاغذ بوده و ممکن نبود که تولید حرکت متناوب درورقه کاغذ بنماید.

در نتیجه وجود همین انبساط و تراکم ، در فیزیکامواج صوتی ، اختلاف چگالی متناوب پیدا می شود. زیرا اگر تغییر فشار را درفیزیک امواج صوتی قبول کنیم لازم است که تغییر چگالی در آنها رانیز قبولکنیم. به کمک چندین پاندول که در طول لوله صوتی افقی بطریق فوق آویزانکرده‌ایم می‌توانیم ثابت کنیم که هنگام ایجاد صوت در لوله ، پاندولی کهنزدیکتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهای دیگر به ارتعاش در می‌آید.

پسوقتی قسمتی از هوای درون لوله در داخل آن به سمت انتهای آن حرکت کرده وقسمت دیگری از هوای درون لوله ساکن است، ناچار چگالی قسمتی که بین این دوقسمت متحرک و ساکن قرار دارد ، تغییر کرده است. موضوع وجود اختلاف چگالیدر هوای مرتعش عملا به تحقیق رسیده است و از تغییر چگالی هوا در موقعارتعاش که باعث تغییر ضریب شکست می‌شود، استفاده کرد. و فیزیک امواج صوتیرا به کمک جرقه الکتریکی عکسبرداری نموده‌اند

/ 0 نظر / 6 بازدید