صدا چیست و چگونه تولید می شود؟ – به زبان ساده

۱۲۴۵۰ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۵ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۴۳ دقیقه
صدا چیست و چگونه تولید می شود؟ – به زبان ساده

چشمان خود را برای چند ثانیه ببندید، چه چیزی می‌شنوید؟ اگر در خانه باشید، صدای برنامه تلویزیونی یا حرف زدن اعضای خانواده با یکدیگر را می‌شنوید. اگر در خیابان باشید، صداهای مختلفی مانند بوق زدن اتومبیل‌ها یا حرکت موتورسیکلت را خواهید شنید. صداها در همه‌جا، در اطراف ما هستند و انواع مختلفی دارند. اگر صداها بسیار بلند و آزاردهنده باشند به آن‌ها سروصدا می‌گوییم. اگر صدا به دلیل نواختن قطعه‌ای موسیقی ایجاد شده باشد، به آن نت گفته می‌شود. هنگامی که نت‌ها با نظم خاصی کنار یکدیگر قرار بگیرند، موسیقی تولید می‌شود. در این مطلب، ابتدا به پرسش صدا چیست به زبان ساده، پاسخ می‌دهیم. سپس، در مورد فیزیک صدا با جزییات کامل، صحبت می‌کنیم.

صدا چیست ؟

به اطراف خود دقت کنید. صداهای بسیاری را خواهید شنید:

  • حرف زدن آهسته دو فرد با یکدیگر
  • بحث کردن گروهی از افراد با یکدیگر با صدای بلند
  • کوبیدن چکش روی میخ
  • صدای شیر آب
  • آواز خواندن فردی در دوردست
  • صدای بوق اتومبیل در خیابان
  • صدای زنگ موبایل فردی در مترو
  • صدای رعدوبرق
  • صدای امواج دریا و خواندن پرندگان

صدا در همه جا وجود دارد، حتی در محیطی که فکر می‌کنیم سکوت لذت‌بخشی دارد. صدا ممکن است بلند یا آهسته باشد. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که صدا چیست و چگونه تولید می‌شود. صدا، موج ارتعاشی است که در محیط‌های مختلف گاز، مایع و جامد، منتقل می‌شود. صدا توسط ما شنیده می‌شود. منبع صدا مهم نیست، تمام صداها به روش یکسانی تولید می‌شوند: ارتعاش. هنگامی که جسمی ارتعاش می‌کند، با سرعت مشخصی به بالا و پایین یا چپ و راست حرکت می‌کند. گاهی سرعت ارتعاش به اندازه‌ای زیاد است که حرکت جسم را نمی‌توان به راحتی با چشم، دنبال کرد.

ارتعاش

شاید از خود بپرسید این ارتعاشات توسط کدام بخش بدن احساس می‌شوند. بسیاری از قسمت‌های بدن، ارتعاش را حس نمی‌کنند، اما گوش به ارتعاش حساس است و آن را احساس می‌کند. آیا می‌دانید صدا چگونه به گوش انسان می‌رسد یا به بیان دیگر چگونه صداها را می‌شنویم؟ اطراف ما از ذرات بسیار زیادی (ذرات هوا) تشکیل شده است و این ذرات، صدا را با خود حمل می‌کنند. برای شبیه‌سازی این ذرات از تیله‌های کوچکی استفاده می‌کنیم. تعدادی تیله کوچک شیشه‌ای را در کنار یکدیگر، روی میز قرار می‌دهیم. این تیله‌ها ساکن هستند تا هنگامی که تیله دیگری با سرعتی معین به آن‌ها برخورد می‌کند. تیله‌های ساکن پس از برخورد تیله متحرک به آن‌ها، در جهت‌های مختلف شروع به حرکت می‌کنند. اتفاق مشابهی نیز در مورد صدا رخ می‌دهد.

تیله

فرض کنید زنگوله کوچکی داریم. آن را حرکت می‌دهیم و صدایی زنگ‌مانند می‌شنویم. هنگامی که زنگوله را به بالا و پایین حرکت می‌دهیم، فلز تشکیل‌دهنده آن شروع به ارتعاش می‌کند. ارتعاش فلز، سبب حرکت دادن مولکول‌های هوای اطراف آن می‌شود. بنابراین، مولکول‌های هوا شروع به ارتعاش می‌کنند. مولکول‌های هوا در اثر ارتعاش، به اطراف حرکت می‌کنند و به مولکول‌های مجاور خود برخورد می‌کنند. این حالت را می‌توان به دومینو تشبیه کرد. مهره‌های دومینو به صف، پشت یکدیگر قرار گرفته‌اند. اگر مهره‌ اول به مهره جلویی خود برخورد کند، آن را می‌اندازد و این حرکت تا آخرین مهره و انداختن تمام مهره‌ها، ادامه می‌یابد. ارتعاش نیز به همین صورت از مولکول‌های هوای نزدیک فلز، به دیگر مولکول‌ها منتقل می‌شود. به مسیر ارتعاش، موج می‌گوییم.

حرکت دومینو

انتقال ارتعاش بین مولکول‌ها به انتقال صدا از نقطه‌ای به نقطه دیگر، کمک می‌کند. سوال دیگری که ممکن است مطرح شود آن است که آیا صدا در همه جا شنیده می‌شود، خیر. صدا در خلأ شنیده نمی‌شود، زیرا هیچ ماده‌ای در آنجا نداریم. به بیان دیگر، در خلأ، هیچ مولکولی برای ارتعاش و انتقال صدا از نقطه‌ای به نقطه دیگر وجود ندارد.

تا اینجا، به پرسش صدا چیست به زبان ساده پاسخ دادیم. در ادامه، برای داشتن درک بهتری از مفهوم صدا، چند آزمایش را با یکدیگر انجام می‌دهیم.

آزمایش های ساده علمی برای درک مفهوم صدا

تاکنون می‌دانیم صدا چیست و چگونه منتقل می‌شود. گفتیم صدا به دلیل ارتعاش مولکول‌های هوا ایجاد و به خاطر انتقال ارتعاش از مولکولی به مولکول دیگر، منتقل می‌شود. در اولین آزمایش، چگونگی انتقال صدا در محیط را بررسی می‌کنیم.

آزمایش شماره ۱

وسایل موردنیاز برای این آزمایش ساده عبارت هستند از:

  1. آب
  2. کاسه
  3. دیاپازون
  4. چکش پلاستیکی

کاسه‌ای را تا نیمه با آب پر کنید. سپس، با استفاده از چکش پلاستیکی، چند ضربه به دیاپازون بزنید و آن را به ارتعاش درآورید. دیاپازون را به سطح آب نزدیک کنید و داخل آن فرو ببرید. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ امواج صوتی ایجاد شده به آب منتقل و سبب پاشیدن آب به اطراف می‌شوند.

ارتعاش آب توسط دیاپازون

نتیجه آزمایش شماره ۱: در این آزمایش فهمیدیم انتقال صدا چیست و چگونه انجام می‌شود. صدا، انرژی دارد و با انتقال انرژی از مولکولی به مولکول دیگر، در محیط منتقل می‌شود.

آزمایش شماره ۲

صداها توسط گوش شنیده می‌شوند. در ادامه، در مورد چگونگی شنیدن صدا توسط گوش توضیح می‌دهیم. در گوش، قسمتی شبیه طبل وجود دارد که پس از برخورد امواج صدا به آن، ارتعاش می‌کند. به این قسمت، پرده گوش گفته می‌شود. در این آزمایش، این قسمت از گوش را شبیه‌سازی می‌کنیم. وسایل موردنیاز برای این آزمایش عبارت هستند از:

  • کاسه
  • پوشش پلاستیکی
  • دانه‌های برنج رنگی
  • دیاپازون
  • چکش پلاستیکی

کاسه‌ای برمی‌داریم و سر آن را با پوشش پلاستیکی، می‌پوشانیم. سپس، دانه‌های برنج رنگی را روی درپوش پلاستیکی می‌پاشیم.

آزمایش شماره ۲

دیاپازون را با استفاده از چکش پلاستیکی به ارتعاش درمی‌آوریم و آن را به دانه‌های برنج و درپوش پلاستیکی، نزدیک می‌کنیم. چه اتفاقی می‌افتد؟ امواج صوت از دیاپازون به غشای پلاستیکی منتقل و سبب پرش دانه‌های برنج به بالا به بالا می‌شود. عملکرد پرده گوش نیز همانند این درپوش پلاستیکی به هنگام برخورد امواج صوت به آن است.

در آزمایش اول فهمیدیم نقش ارتعاش در انتقال صدا چیست و در آزمایش دوم، پرده گوش را شبیه‌سازی کردیم. در ادامه، آزمایش‌های جالب دیگری در مورد خصوصیات صدا به عنوان موج، انجام می‌دهیم.

آزمایش شماره ۳

وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • زیلوفون یا سنتور چوبی
  • چکش کوچک چوبی
  • سه لیوان پلاستیکی
  • کش با اندازه و رنگ‌های مختلف
  • تخته هندسی

به طور حتم زیلوفون را از نزدیک مشاهده کرده‌اید. این وسیله کوچک که به آن سنتور چوبی نیز گفته می‌شود، از قسمت‌های رنگی با نت‌های مختلف تشکیل شده است.

زیلوفون

در ابتدا، کشی را روی تخته هندسی ثابت کنید. کش پس از قرار گرفتن بین گیره‌های تخته هندسی، کشیده می‌شود، به گونه‌ای که با کشیدن قسمت‌های مختلف آن، به ارتعاش درمی‌آید. به تصویر زیر و چگونگی قرار گرفتن کش در صفحه هندسی دقت کنید. کش از چهار قسمت با طول‌های مختلف تشکیل شده است. توجه به این نکته مهم است که طول کش، نقش مهمی در چگونگی ارتعاش آن و صدای تولیدی دارد.

تخته هندسی

در ادامه، طرح کش روی صفحه هندسی را روی کاغذ بکشید و طول هر قسمت را یادداشت کنید.

یادداشت کردن طول هر قسمت از کش

به جای تخته هندسی و بستن کش روی آن، می‌توان از سه لیوان پلاستیکی برای بستن کش‌ها استفاده کرد. سه لیوان پلاستیکی بردارید و سه کش مختلف را به صورت نشان داده شده در تصویر، به دور آن‌ها بپیچید.

بستن کش به دور لیوان

اگر کش هر لیوان را بکشیم و رها کنیم، صداهای مختلفی خواهیم شنید. صدای ایجاد شده به طول، ضخامت و سفتی کش، بستگی دارد. این حالت به زیلوفون شباهت دارد:

  • صدای میله‌های بلندتر در زیلوفون، بم‌تر است.
  • صدای میله‌های کوتاه‌تر در زیلوفون، زیرتر دارند.

با انجام آزمایش بالا فهمیدیم زیر و بمی صدا چیست و با صداهای زیر و بم آشنا شدیم. برای داشتن درک بهتری از صداهای زیر و بم به این جمله توجه کنید، صدای زنان زیر و صدای مردان بم است.

آزمایش شماره ۴

وسایل موردنیاز در این آزمایش عبارت هستند از:

  • لیوانی از جنس استایروفوم
  • فنری منعطف و بلند

فنر را جمع می‌کنیم و آن را در انتهای لیوان استایروفوم قرار می‌دهیم. فنر را می‌کشیم و آن را حرکت می‌دهیم (به ارتعاش درمی‌آوریم). چه اتفاقی می‌افتد. اگر گوش خود را به لیوان نزدیک کنیم، صدایی داخل آن می‌شنویم. صدای ایجاد شده به دلیل ارتعاش فنر، توسط شکل لیوان و ماده سازنده آن، یعنی استایروفوم، تقویت می‌شود.

آزمایش شماره ۴

نتیجه آزمایش شماره ۴: با انجام این آزمایش فهمیدیم نقش ارتعاش در انتقال صدا چیست.

آزمایش شماره ۵

در این آزمایش، با استفاده از وسایلی بسیار ساده، حشره‌ای کوچک می‌سازیم و با استفاده از آن، بار دیگر به پرسش صدا چیست به صورت عملی پاسخ می‌دهیم. وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش و ساختن حشره عبارت هستند از:

  • کاغذ سفید به مقدار لازم
  • منگنه
  • نخ
  • چوب بستنی
  • گیره
  • کش

سر کاغذ را روی چوب بستنی قرار می‌دهیم و با استفاده از منگنه، آن را ثابت می‌کنیم.

فیکس کردن کاغذ با استفاده از منگنه

در ادامه، گیره‌های پلاستیکی را در دو انتهای چوب بستنی قرار می‌دهیم. سپس نخ را به یک انتهای چوب گره می‌زنیم و کشی را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر بین دو انتهای چوب محکم می‌کنیم.

آزمایش پنجم قسمت دوم

در پایان، حشره‌ای را که ساخته‌ایم در مسیری دایره‌ای با سرعت مشخصی می‌چرخانیم. پس از چند دور چرخش، حشره کاغذی را متوقف می‌کنیم و صدایی شبیه وزوز می‌شنویم. این صدا به دلیل ارتعاش کش، شنیده می‌شود.

نتیجه آزمایش شماره ۵: در این آزمایش نیز، همانند آزمایش شماره ۴، فهمیدیم نقش ارتعاش در انتقال صدا چیست. با حرکت حشره کاغذی، آن را به ارتعاش درمی‌آوریم. سپس این ارتعاش به مولکول‌های هوای نزدیک حشره و سپس به مولکول‌های دیگر منتقل می‌شود و در نهایت به گوش ما می‌رسد.

آزمایش شماره ۶

اگر کودکی از شما پرسید، صدا چیست و چرا ما صداها را می‌شنویم، سعی نکنید مفهوم صدا را با استفاده از زبان علمی به او بیاموزید. به جای آن، سعی کنید با انجام آزمایش‌هایی ساده و آسان، صدا را به صورت عملی به او بیاموزید. هنگامی که کودک بودیم، با استفاده از بطری و نخ، تلفن می‌ساختیم و با استفاده از آن با یکدیگر صحبت می‌کردیم. در آزمایش ششم، مفهوم صدا را با استفاده از ایده ساخت تلفن در کودکی، توضیح می‌دهیم. پس از انجام این آزمایش، با چگونگی انتقال امواج صوت در سیم تلفن و تبدیل آن به صدایی قابل شنیدن در سمت دیگر، آشنا می‌شویم.

وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • دو لیوان کاغذی
  • نخ بلند
  • مداد نوک‌تیز یا سوزن برای سوراخ کردن لیوان‌ها
  • قیچی

برای انجام این آزمایش، مرحله‌های زیر را به ترتیب طی می‌کنیم:

  1. نخی در حدود ۱۵ متر بردارید.
  2. سوراخی کوچک در انتهای هر یک از لیوان‌ها ایجاد کنید.
  3. نخ را از سوراخ‌های انتهای هر یک از لیوان‌ها عبور دهید و سپس آن را گره بزنید. به این نکته توجه داشته باشید که گره باید به اندازه‌ای باشد که نخ از سوراخ، خارج نشود.
  4. یکی از لیوان‌ها را به دوست خود دهید و از او بخواهید در فاصله‌ای از شما قرار بگیرد که نخ به طور کامل صاف باشد و خمیدگی در آن دیده نشود. به این نکته توجه داشته باشید که نخ، هیچ جسم دیگری را لمس نکند.
  5. به نوبت، لیوان را به دهان خود نزدیک و داخل آن صحبت کنید. فرد دیگر با قرار دادن لیوان در کنار گوش خود، صدای شما را خواهد شنید. به دوست خود بگویید آنچه را شنیده است، بازگو کند.
ساخت تلفن در کودکی

نتیجه آزمایش شماره ۶: با انجام این آزمایش فهمیدیم دلیل ایجاد صدا چیست. امواج صوتی به هنگام صحبت کردن در فضا ایجاد و به دلیل ارتعاش مولکول‌های هوا در فضا پخش می‌شوند.

آزمایش شماره ۷

امواج صوت، در سه محیط جامد، مایع و گاز می‌توانند حرکت کنند. توجه به این نکته مهم است که سرعت صوت در هوا کمترین مقدار و در جامد، بیشترین مقدار را دارد. در این آزمایش، حرکت امواج صوت در آب را بررسی می‌کنیم.

وسایل موردنیاز برای این آزمایش عبارت هستند از:

  • سطلی پر از آب
  • یک بطری پلاستیکی بزرگ آب یا نوشابه
  • حداقل دو چاقوی آشپزخانه
  • قیچی یا چاقویی تیز برای بریدن بطری

برای انجام این آزمایش، مرحله‌های زیر را به ترتیب طی می‌کنیم:

  1. ابتدا، سطل را پر از آب کنید. سپس با استفاده از چاقویی تیز یا قیچی، ته بطری پلاستیکی را ببرید. به این نکته توجه داشته باشید که سرپوش بطری را قبل از بریدن ته آن، برداشته باشید.
  2. بطری آب را آهسته به گونه‌ای داخل آب قرار دهید که ته آن داخل آب قرار بگیرد. سپس، گوش خود را بالای بطری قرار بگذارید.
  3. در ادامه، چاقوهای آشپزخانه را به هم بزنید. اما این کار را داخل سطل انجام دهید. چه چیزی می‌شنوید؟

به احتمال قوی، صدای برخورد چاقوها به یکدیگر را بلند و واضح می‌شنوید. امواج صوت در آب سریع‌تر از هوا حرکت می‌کنند، بنابراین حیواناتی که زیر آب زندگی می‌کنند، صداها را به وضوح می‌شنوند.

 

تاکنون، با انجام هفت آزمایش، به خوبی می‌دانیم مفهوم صدا چیست و چگونه منتشر می‌شود. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا می‌توان، صدا را مشاهده کرد. در آزمایش بعدی به این پرسش پاسخ می‌دهیم.

آزمایش شماره ۸

صدا در محیط‌های جامد، مایع و گاز منتقل می‌شود، اما دیدن امواج صوت امکان‌پذیر نیست. آیا می‌توان امواج صوت را به روش دیگری مشاهده کرد؟ بله، در آزمایش ۲، اثر امواج صوت را بر دانه‌های برنج با استفاده از وسیله‌ای به نام دیاپازون، مشاهده کردیم. در این آزمایش، از دیاپازون استفاده نمی‌کنیم.

وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  1. کاسه
  2. درپوش پلاستیکی
  3. کش بزرگ
  4. شکر

درپوش پلاستیکی را روی کاسه قرار دهید و آن را با استفاده از کش، محکم کنید. به این نکته توجه داشته باشید که درپوش کاملا محکم و صاف باشد و هیچ افتادگی در مرکز یا خمیدگی نداشته باشد. سپس، مقداری شکر در مرکز درپوش بریزید. سر خود را به محل قرار گرفتن دانه‌های شکر نزدیک کنید و جمله‌ای را بلند و نزدیک به فریاد بگویید. چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا دانه‌های شکر حرکت می‌کنند؟ این کار را با لحن‌های مختلف تکرار کنید. در نگاه نخست، این‌گونه به نظر می‌رسد که نفستان به هنگام صحبت کردن، سبب حرکت دانه‌های شکر می‌شود. اما، عامل حرکت دانه‌های شکر به ارتعاشات امواج صوتی برمی‌گردد.

در مطالب بالا گفتیم که صدا نه‌تنها در هوا و آب، بلکه در محیط جامد نیز به راحتی منتقل می‌شود. درک این موضوع کمی سخت به نظر می‌رسد.

آزمایش شماره ۹

وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • قاشق فلزی، هرچه اندازه قاشق بزرگ‌تر باشد، نتیجه مشاهده شده بهتر خواهد بود.
  • نخی به طول ۷۰ تا ۸۰ سانتی‌متر

نخ را به طور کامل باز کنید و قاشق را وسط آن قرار دهید. سپس، با استفاده از نخ، دسته قاشق را گره بزنید، به گونه‌ای که با گرفتن دو انتهای نخ و بلند کردن آن از زمین، قاشق نیز بلند شود. در ادامه، یک انتهای نخ را به انگشت اشاره دست راست و انتهای دیگر را به انگشت اشاره دست چپ، گره بزنید. دست‌های خود را روی گوش‌هایتان قرار دهید. در پایان، قاشقی را که از نخ آویزان است به در اتاق می‌زنیم و این کار را چند بار تکرار می‌کنیم. چه صدایی می‌شنوید. صدایی شبیه صدای زنگ خواهید شنید. امواج صوت، ابتدا در قاشق فلزی ایجاد می‌شوند و از طریق نخ، به گوش شما می‌رسند.

نتیجه آزمایش شماره ۹: در این آزمایش فهمیدیم صدا نه‌تنها در محیط‌های گازی و مایه، بلکه در محیط‌های جامد نیز منتقل می‌شود.

تا اینجا، با انجام آزمایش‌های مختلف به پرسش صدا چیست به زبان ساده پاسخ دادیم. در ادامه، در مورد انواع صدا صحبت می‌کنیم.

منبع صدا چیست ؟

روزانه صداهای مختلفی را از منبع‌های مختلف می‌شنویم:

  • منبع تولیدکننده صدا ممکن است تارهای صوتی انسان باشد. به عنوان مثال، هنگامی که صحبت می‌کنید، کسی که در نزدیکی شما قرار داشته باشد، صدای حرف زدن شما را خواهد شنید. تارهای صوتی انسان هنگامی که به یکدیگر نزدیک می‌شوند و هوا به هنگام بازدم از میان آن‌ها می‌گذرد، صداهای مختلفی مانند زمزمه، سرفه کردن یا جیغ زدن، تولید می‌کنند.
  • صدا ممکن است به دلیل کار با وسایل مختلف یا فعالیت‌های مختلف انسان، ایجاد شود. به عنوان مثال، هنگامی که با چکش میخی را روی میز چوبی می‌کوبید یا با پا، به طور مداوم به صندلی خود ضربه می‌زنید.
  • حیوانات، صداهای مختلفی تولید می‌کنند. به عنوان مثال، اگر در جنگل راه بروید، صدای انواع پرندگان یا غرش حیوانات وحشی را چه در فاصله‌ای نزدیک یا دور، می‌شنوید.
  • وسایل مختلف می‌توانند صداهای مختلفی داشته باشند.
انواع مختلف منبع صدا چیست

انواع صدا چیست ؟

صداها انواع مختلفی دارند:

  • بعضی از صداها مانند صدای بوق اتومبیل‌ها در خیابان یا صدای آواز خواندن پرندگان را می‌شنویم.
  • برخی از صداها توسط انسان شنیده نمی‌شوند. دلیل این موضوع آن است که انسان تنها می‌تواند محدوده مشخصی از صداها را بشنود. به عنوان مثال، سوت سگ توسط گوش انسان شنیده نمی‌شود.
  • صدا ممکن است خوشایند باشد، مانند نواختن آهنگی ملایم با پیانو.
  • صدا می‌تواند بسیار آزاردهنده باشد، مانند زدن بوق اتومبیل به صورت مداوم.
  • صدا می‌تواند بلند یا آهسته باشد. هنگامی که با کسی در گوشی صحبت می‌کنیم، صدای ما آهسته و به هنگام صحبت کردن با فردی که در فاصله دورتری نسبت به ما قرار دارد، صدای ما بلند است.
  • صدا ممکن است نازک یا کلفت باشد. به عنوان مثال، صدای بیشتر خانم‌ها نسبت به بیشتر آقایان، نازک‌تر است. با صدای نازک، صدا زیر و به صدای کلفت، صدای بم نیز گفته می‌شود.

شاید از خود پرسیده باشید چرا برخی صداها توسط انسان شنیده می‌شوند و برخی صداها نه. برای پاسخ به این پرسش باید با ویژگی‌های امواج صوتی آشنا باشد. فرکانس یکی از مهم‌تریم مشخصه‌های این امواج است که در قسمت بعد، در مورد آن صحبت خواهیم کرد. صداها، فرکانس‌های مختلفی دارند. محدوده فرکانسی که توسط گوش انسان شنیده می‌شود بین 20 تا ۲۰۰۰۰ هرتز قرار دارد. به امواج صوتی با فرکانس کمتر از ۲۰ هرتز، امواج مادون صوت و به امواج صوتی با فرکانس بیشتر از ۲۰ هزار هرتز، امواج فراصوت، گفته می‌شود.

امواج مادون صوت چیست ؟

فرکانس امواج مادون صوت کمتر از ۲۰ هرتز است، بنابراین توسط گوش انسان شنیده نمی‌شوند. دانشمندان از این امواج برای آشکارسازی زلزله‌ها و فوران‌های آتشفشانی به منظور تهیه نقشه برای تشکیل نفت در زیر زمین، استفاده می‌کنند. همچنین، با استفاده از امواج مادون صوت می‌توان فعالیت قلب انسان را مطالعه کرد. گرچه انسان نمی‌تواند امواج مادون صوت را بشنود، اما بسیاری از حیوانات از این امواج برای ارتباط در طبیعت استفاده می‌کنند. نهنگ‌ها، زرافه‌ها و فیل‌ها از این امواج برای برقراری ارتباط، حتی در فاصله‌ای بسیار دور، استفاده می‌کنند.

امواج فراصوت چیست ؟

به امواج صوت با فرکانس بیشتر از ۲۰ هزار هرتز، امواج فراصوت گفته می‌شود. از آنجا که فرکانس این امواج فراتر از محدوده شنیداری انسان است، توسط گوش انسان شنیده نمی‌شوند. این امواج بیشتر در سونوگرافی ارگان‌ها داخلی بدن، استفاده می‌شود. کاربردهای دیگر امواج فراصوت عبارت هستند از:

  • جهت‌یابی
  • تصویربرداری
  • ارتباطات

در طبیعت، جغدها از امواج فراصوت برای یافتن محل طعمه و جلوگیری از برخورد با موانع مختلف استفاده می‌کنند.

فرکانس های مختلف صدا

تا اینجا می‌دانیم منبع صدا چیست و در مورد انواع مختلف صدا، صحبت کردیم. در ادامه، در مورد چگونگی تولید صدا و فیزیک آن توضیح می‌دهیم.

صدا چگونه تولید می شود ؟

در مطالب بالا گفتیم صدا هنگامی تولید می‌شود که جسمی ارتعاش کند. به هنگام ارتعاش جسم، موج فشاری ایجاد می‌شود. موج فشاری ایجاد شده، ذرات محیط اطراف خود را (هوا، آب یا جامد) به ارتعاش درمی‌آورد. ذرات ارتعاشی به اطراف حرکت می‌کنند و ذرات مجاور خود را به ارتعاش درمی‌آورند. بدین‌گونه، صدا یا صوت در محیط منتشر می‌شود. امواج صوت از بسیار از جهت‌ها شبیه امواج نور هستند. هر دوی آن‌ها از منبع مشخصی تابیده می‌شوند و با استفاده از روش‌های مختلف می‌توانند پراکنده یا توزیع شوند. نور برای رفتن از نقطه‌ای به نقطه دیگر به محیط مادی نیاز ندارد. در مقابل، صدا برای آن‌که بتواند بین دو نقطه حرکت کند باید داخل محیطی از جنس گاز، مایع یا جامد قرار داشته باشد. این بدان معنا است که در فضا، هیچ صدایی شنیده نمی‌شود، زیرا هیچ ذره‌ای در آنجا وجود ندارد.

فیزیک صدا چیست ؟

تا اینجا می‌دانیم صدا چیست، چگونه تولید می‌شود و چگونه در محیطی مانند هوا، آب یا محیط جامد منتقل می‌شود. در ادامه، صدا را از نگاه فیزیکی و به صورت علمی‌تر، بررسی می‌کنیم.

می‌دانیم صدا، ارتعاشات ذرات تشکیل‌دهنده محیطی است که در آن منتشر می‌شود. انتشار صدا در هوا به شکل امواج طولی است. فرض کنید صوت توسط منبعی مانند تارهای صوتی یا ضربه زدن روی طبل ایجاد می‌شود. در هر یک از این دو منبع صوتی، محیط شروع به ارتعاش می‌کند. به عنوان مثال، هنگامی که روی طبل ضربه زده می‌شود، دهانه آن شروع به لرزیدن و ارتعاش می‌کند. فرض کنید منبع صوتی در هوا قرار دارد. مولکول‌های هوا در نزدیکی منبع صوتی، شروع به حرکت ارتعاشی می‌کنند و فشرده می‌شوند. سپس، این ارتعاش و فشردگی به مولکول‌های مجاور منتقل می‌شود و بدین‌گونه، امواج صوت در هوا منتقل می‌شوند.

امواج صوتی

انتقال صدا در خلأ

تا اینجا می‌دانیم نقش ارتعاش مولکول‌ها در انتقال صدا چیست. صدا برای منتقل شدن از نقطه اولیه به نقاط دیگر، به محیط انتشار نیاز دارد. به بیان دیگر، امواج صوت به محیطی برای انتقال نیاز دارند که در آن، ذراتی وجود داشته باشند و بتوانند ارتعاش یابند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اگر محیطی برای انتقال صوت وجود نداشته باشد یا در آن محیط، هیچ ذره‌ای برای ارتعاش نباشد، چه اتفاقی برای امواج صوت رخ می‌دهد. برای پاسخ به این پرسش، آزمایشی را در ادامه انجام می‌دهیم.

دسیکاتور ظرفی است که از آن برای نگهداری نمونه‌های آزمایشگاهی استفاده می‌شود. برای انجام این آزمایش از ظرف دسیکاتور و پمپ خلأ، برای خارج کردن هوای آن، استفاده می‌کنیم. قبل از آن‌که هوای دسیکاتور را توسط پمپ خلأ خارج کنیم، پخش‌کننده آهنگ کوچکی را داخل آن قرار می‌دهیم. صدای پخش‌کننده آهنگ به قدری بلند است که حتی پس از بستن در دسیکاتور نیز شنیده می‌شود. سپس، پمپ روشن می‌شود و هوای دسیکاتور توسط آن تخلیه می‌شود. در حقیقت، با انجام این کار، تعداد زیادی از مولکول‌های هوا را از ظرف خارج می‌کنیم. پس از گذشت مدت زمان بسیار کوتاهی، صدای پخش‌کننده بسیار آهسته می‌شود. اگر هوا را دوباره به داخل دسیکاتور برگردانیم، صدای پخش‌کننده به همان بلندی اولیه خود برمی‌گردد.

انتشار صدا در خلأ

در مطالب بالا گفتیم، صدا نه‌تنها در هوا، بلکه در محیط مایع و جامد نیز می‌تواند منتشر شود. به عنوان مثال، هنگامی که در استخر شنا می‌کنید، صداهای خارج از آب را می‌توانید بشنوید. سرعت صوت در محیط انتشار آن به چگالی محیط و خواص کشسانی آن بستگی دارد. هر چه جسمی نرم‌تر و سنگین‌تر (مانند توپ اسفنجی) باشد، سرعت صوت در آن کمتر و در مقابل، هر چه جسمی سبک‌تر و سخت‌تر (مانند فلز) باشد، سرعت صوت در آن بیشتر خواهد بود.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که انتقال صدا در گازی سبک‌‌تر از هوا، مانند هلیوم، چگونه است. هوا به طور عمده از نیتروژن و اکسیژن ساخته شده است، بنابراین مولکول‌های آن نسبت به مولکول‌های هلیوم سنگین‌تر هستند. آیا تاکنون گاز هلیوم را استنشاق کرده‌اید یا در برنامه تلویزیونی کسی را دیده‌اید که این کار را انجام داده باشد؟ صدای فرد قبل و بعد از استنشاق گاز هلیوم چه تغییری می‌کند؟ صدا بلندتر و شبیه جیرجیر جیرجیرک می‌شود. به بیان دیگر، گام صدا بلندتر خواهد شد. در مورد این موضوع، در ادامه صحبت می‌کنیم.

برای آن‌که در مورد فیزیک صدا و ویژگی‌های آن، دقیق‌تر صحبت کنیم، به بیانی دقیق‌تر و بر مبنای فیزیک، نیاز داریم. بنابراین، تعدادی از ویژگی‌های مهم صدا یا امواج صوتی را تعریف می‌کنیم.

فرکانس و گام صدا چیست ؟

به هنگام شنیدن صدا، دسته‌ای از ارتعاشات منتشر شده در هوا را پس از رسیدن به گوش خود، می‌شنویم. به تعداد ارتعاشاتی که در زمان مشخصی به گوش فرد می‌رسد، فرکانس گفته می‌شود. اگر لیوانی بلوری برداریم و با انگشت، ضربه‌ای به سطح آن بزنیم، صدایی با فرکانس ۴۴۰ هرتز می‌شنویم. به بیان دیگر، با زدن ضربه به لیوان بلوری، ۴۴۰ ارتعاش در ثانیه به گوش ما می‌رسد.

گام صدا به ما کمک می‌کند تا صداهای بلند و آهسته را از یکدیگر تشخیص دهیم. با کمک گام می‌توانیم صداهای را براساس فرکانس، مقیاس‌بندی کنیم. گام را می‌توان به صورت اصطلاح موسیقی برای صدا توصیف کرد، گرچه مفهوم آن‌ها به طور دقیق یکسان نیست. صدایی با گام بلند، سبب حرکت و نوسان بسیار سریع مولکول‌ها می‌شود. در حالی‌که، نوسان مولکول‌ها در صدایی با گام آهسته، بسیار کمتر است. گام را هنگامی می‌توانیم تشخیص دهیم که صدا فرکانسی واضح و ادامه‌دار داشته باشد و تمایز آن با نویز، راحت باشد. گام براساس درک و احساس شنونده است و ویژگی فیزیکی صدا نیست. در ادامه، صدایی با گام کوتاه یا فرکانس کم را می‌شنوید.

طول موج در صدا چیست ؟

به تصویر زیر توجه کنید. ناحیه‌های تاریک، فشردگی هوا را نشان می‌دهند. به فاصله بین یک ناحیه تاریک با ناحیه تاریک بعدی، طول موج گفته می‌شود.

امواج صوتی

تصویر فوق را می‌توان به شکل موج سینوسی یا کسینوسی نشان داد. نواحی تاریک در تصویر فوق به شکل قله یا پیک در نمودار موج نمایش داده می‌شوند. فاصله بین دو قله متوالی برابر طول موج امواج صوت است. به جای قله، می‌توان هر نقطه دیگری را روی نمودار موج در نظر گرفت. فاصله این نقطه تا اولین نقطه یکسان بعدی روی نمودار موج، همان طول موج است.

طول موج روی نمودار

دامنه موج در صدا چیست ؟

دامنه امواج صوت، بلندی صدا را تعیین می‌کند. اگر دامنه امواج صوت، بزرگ باشد، صدایی که می‌شنویم بسیار بلند است. در مقابل، اگر دامنه امواج صوتی، کوچک باشد، صدایی که می‌شنویم، بسیار آهسته خواهد بود. در موزیک، به بلندی نت، تراز دینامیک گفته می‌شود. در فیزیک، دامنه امواج صوت برحسب «دسی‌بل»‌ (dB) اندازه گرفته می‌شوند.

تن صدا چیست ؟

تن صدا به رنگ تن یا احساس صدا اشاره دارد. صداها با تن‌های مختلف، امواجی با شکل‌های مختلف، تولید می‌کنند که بر درک ما از صدا، تاثیر می‌گذارد. صدای ایجاد شده توسط پیانو نسبت به صدای ایجاد شده توسط گیتار، رنگ تن متفاوتی دارد. در فیزیک، به آن تن صدا گفته می‌شود.

مدت زمان و ریتم صدا چیست ؟

به مدت زمان شنیده شدن گام یا تن، مدت زمان شنیده شدن صدا گفته می‌شود. مدت زمان صدا می‌تواند کوتاه، طولانی یا زمانی مابین این دو باشد. مدت زمان نت یا تن بر ریتم صدا تاثیر می‌گذارد. در فیزیک، مدت زمان صدا هنگام شنیده شدن و تشخیص صدا شروع می‌شود. این زمان هنگامی پایان می‌یابد که صدا قابل‌تشخیص نباشد.

 

اثر دوپلر چیست ؟

اگر منبع تولیدکننده موج، متحرک باشد، اثر دوپلر اتفاق می‌افتد. ماشین پلیسی را فرض کنید که آژیرکشان به سمت ناظر شماره یک (به سمت راست) حرکت می‌کند و از ناظر شماره دو، دور می‌شود. ماشین پلیس را به عنوان منبع موجی متحرک در نظر می‌گیریم. امواج قرار گرفته در جلوی آن، به یکدیگر نزدیک و امواج قرار گرفته در پشت ماشین پلیس، از یکدیگر دور می‌شوند. بنابراین، ناظر شماره یک امواج را با فرکانسی بزرگ‌تر از فرکانس اصلی و ناظر شماره دو، امواج را با فرکانسی کمتر از فرکانس اصلی، مشاهده می‌کنند. به بیان دیگر، هنگامی که ماشین پلیس به شما نزدیک می‌شود، صدای آژیر آن را با زیرتر و هنگامی که از شما دور می‌شود، صدا آژیر را با بم‌تر می‌شنوید.

اثر دوپلر

منبع صوت ساکنی را در محیط هوا در نظر بگیرید که در حال تولید امواج صوت و فرستادن آن به محیط خارج است. امواج صوت تولید شده به شکل کره‌هایی هم‌مرکز منتشر می‌شوند. در حالتی که منبع موج ساکن است، فاصله کره‌های هم‌مرکز با یکدیگر، برابر است. اکنون فرض کنید منبع صدا، همان‌طور که در تصویر بالا نشان داده شده است، شروع به حرکت به سمت راست می‌کند. فاصله بین امواج کروی متوالی در جلوی منبع از یکدیگر کم، و فاصله آن‌ها در پشت منبع از یکدیگر زیاد می‌شود. بنابراین ناظری که منبع صوت به او نزدیک می‌شود، صدا را زیرتر می‌شنود. در مقابل، ناظری که منبع از او دور می‌شود، صدا را بم‌تر خواهد شنید.

اگر سرعت منبع صوت بیشتر شود و به سرعت صوت نزدیک شود یا از آن فراتر روی، پدیده‌ای به نام شکستن دیوار صوتی رخ می‌دهد. دیوار صوتی هنگامی شکل می‌گیرد که جسم با سرعتی نزدیک به سرعت صوت حرکت می‌کند. اگر سرعت جسم از سرعت صوت بیشتر شود، این دیوار شکسته خواهد شد و صدایی شبیه انفجار شنیده می‌شود.

هم رزونانس در صدا چیست ؟

در مطالب بالا گفتیم، هنگامی که به لیوان بلوری با انگشت، ضربه‌ای کوچک می‌زنیم با فرکانس ۴۴۰ هرتز شروع به ارتعاش می‌کند. به این عدد، «فرکانس تشدید» (Resonance Frequency یا فرکانس رزونانس) لیوان بلوری گفته می‌شود. مهم نیست کجای لیوان یا با چه شدتی ضربه بزنیم، مهم آن است که با فرکانس ۴۴۰ هرتز نوسان می‌کند. برای درک بهتر مفهوم هم‌رزونانس، ابتدا کمی در مورد ارتعاش و رزونانس، صحبت می‌کنیم.

گفتیم صدا همان ارتعاش مولکول‌های هوا است که در هوا یا هر محیط انتشاری، منتشر می‌شود. ارتعاش نقش مهمی در مهندسی عمران به هنگام ساختن ساختمان‌ها و حفظ پایداری آن‌ها در برابر زلزله یا ساخت فضاپیما و پرتاب آن به فضا ایفا می‌کند. جرم و میزان سختی، دو تا از مهم‌ترین فاکتورها در هر سیستم ارتعاشی هستند. در حالت کلی، جرم کل سیستم را می‌توان در یک نقطه جمع کرد و آن را با m نشان داد. همچنین، میزان سختی سیستم را می‌توان با فنری با ثابت k، نشان داد.

سختی و جرم شبیه سازی شده

گرچه سیستم شبیه‌سازی شده کمی اتتزاعی به نظر می‌رسد، ولی با استفاده از آن می‌توان رفتار دینامیکی سیستم‌های واقعی بسیاری را توضیح داد. زیبایی این شبیه‌سازی انجام شده آن است که اکنون سیستمی داریم که می‌توانیم آن را به صورت ریاضی توصیف کنیم. اما قبل از انجام این کار، باید چند فرضیه داشته باشیم.

  1. فرض کنید جرم نقطه‌ای تنها می‌تواند به بالا و پایین حرکت کند. در این حالت مدل ارائه شده، یک درجه آزادی دارد.
  2. از اثر نیروی جاذبه چشم‌پوشی می‌کنیم.
  3. هیچ اتلافی در سیستم وجود ندارد. این بدان معنا است، که انرژی در سیستم به انرژی گرمایی تبدیل نمی‌شود. بنابراین، هیچ اصطکاکی در سیستم به هنگام ارتعاش آن وجود ندارد.
  4. هیچ باری از خارج بر سیستم وارد نمی‌شود.
  5. هدف مدل ارائه شده آن است که بفهمیم رفتار سیستم به هنگام ارتعاش آزاد چگونه است. به بیان دیگر، سیستم به هنگام نوسان چه رفتاری از خود نشان می‌دهد.

از آنجا که فرض کردیم هیچ گونه اتلافی در سیستم وجود ندارد، جرم تا بی‌نهایت نوسان می‌کند. نوسان یا ارتعاش سیستم توسط معادله حرکت آن، توصیف می‌شود. این معادله، با استفاده از قانون دوم نیوتن به‌دست می‌آید. بر طبق قانون دوم نیوتن، جمع نیروهای وارد بر جرم نوسان‌کننده برابر حاصل‌ضرب جرم جسم در شتاب حرکت آن است.

$$\sum F = m a$$

برای به دست آوردن برایند نیروهای وارد بر جسم می‌توان از نمودار جسم آزاد استفاده کرد. چه نیرو یا نیروهایی بر جسم وارد می‌شوند؟ نیروی فنر. این نیرو برابر حاصل‌ضرب ثابت فنر در میزان جابجایی‌ آن از نقطه تعادل است.

حرکت نوسانی جسم

از آنجا که از نیروی جاذبه زمین یا نیروی وزن جرم، صرف‌نظر کردیم، تنها نیروی وارد شده بر جسم، نیروی فنر است. در رابطه بالا، به جای F، $$- k x$$ را قرار می‌دهیم:

$$- k x = m a $$

ma را به سمت راست می‌آوریم و طرفین معادله را در منفی ضرب می‌کنیم:

$$kx + m a = 0$$

می‌دانیم شتاب از مشتق دوم تابع زمان نسبت به مکان به‌دست می‌آید، بنابراین به جای a، $$\frac{\text{d}^ 2 x}{\text{d} t ^ 2}$$ را قرار می‌دهیم:

$$m \frac{\text{d}^ 2 x}{\text{d} t ^ 2} + k x = 0$$

معادله به‌دست آمده، معادله دیفرانسیلی با جواب سینوسی است.

$$x ( t ) = A \sin ( \sqrt{ \frac{k }{m}}t+ \phi)$$

در جواب به‌دست آمده:

  • t، زمان است.
  • $$\phi$$، زاویه فاز است.
  • A، دامنه ارتعاش است.

دامنه و زاویه فاز را با توجه به شرایط اولیه سیستم و سرعت جرم، می‌توانیم به‌دست آوریم.

مثال جرم و فنر

فرض کنید در سیستم شبیه‌سازی شده، جرم m برابر ۵ کیلوگرم و سختی فنر برابر ۲۰ نیوتن بر متر باشد، اگر سرعت اولیه سیستم برابر ۰/۰۲ متر بر ثانیه و مکان اولیه آن در مبدأ مختصات باشد، دامنه نوسان و زاویه فاز را به‌دست آورید. معادله حرکت سیستم با استفاده از رابطه زیر توصیف می‌شود:

$$x ( t) = A \sin ( 2 t + \phi)$$

پاسخ

جسم در ابتدا در مبدأ مختصات قرار دارد، بنابراین در زمان صفر، مکان آن نیز باید برابر صفر باشد:

$$x ( t= 0 ) = 0 \ A \sin ( \sqrt{ \frac{k }{m}} (t = 0) + \phi) = 0 \ A \sin \phi = 0$$

از آنجا که دامنه نوسان نمی‌تواند برابر صفر باشد، بنابراین $$\sin \phi$$ صفر خواهد باد. در نتیجه، زاویه $$\phi$$ برابر صفر است. برای به‌دست آوردن دامنه نوسان، از سرعت اولیه جسم در زمان صفر استفاده می‌کنیم. برای انجام این کار، معادله سرعت را با گرفتن مشتق اول معادله مکان نسبت به زمان به‌دست می‌آوریم.

$$v ( t) = \frac{\text{d}x}{\text{d}t} = \frac{\text{d}}{\text{d}t}(A \sin ( 2 t + \phi)) = 2 A \cos ( 2 t + \phi)$$

از آنجا که زاویه فاز برابر صفر به‌دست آمد، معادله سرعت به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$v ( t ) = 2 A \cos ( 2 t )$$

سرعت اولیه حرکت در زمان صفر برابر ۰/۰۲ متر بر مجذور ثانیه است:

$$v ( t= 0 ) = 0.02 \frac{m}{s} \ 2 A \cos ( 2 (t = 0) ) = 0.02 \ 2 A = 0.02 \ A = 0.01 m
$$

کمیت مهم دیگری که با استفاده از شبیه‌سازی جرم و فنر می‌توان به‌دست آورد، فرکانس طبیعی سیستم است. فرکانس طبیعی سیستم همان فرکانسی است که سیستم به هنگام ارتعاش آزاد، با این فرکانس نوسان می‌کند. بار دیگر به معادله حرکت به‌دست آمده برای سیستم شبیه‌سازی شده دقت کنید:

$$x ( t ) = A \sin ( \sqrt{ \frac{k }{m}}t+ \phi)$$

عبارت $$\sqrt{ \frac{k }{m}}$$ را با $$\omega$$ نشان می‌دهیم. بنابراین معادله بالا، به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$x ( t ) = A \sin ( \omega t+ \phi)$$

$$\omega$$ تنها به جرم و سختی فنر بستگی دارد. بنابراین، شرایط اولیه سیستم هرچه باشد، همواره با فرکانس یکسانی نوسان می‌کند. واحد $$\omega$$ رادیان بر ثانیه است. بنابراین، به آن فرکانس زاویه‌ای طبیعی گفته می‌شود. اما گاهی بیان فرکانس طبیعی سیستم برحسب سیکل بر ثانیه راحت‌تر است. در این حالت، فرکانس را با حرف f نشان می‌دهیم:

$$f = \frac { \omega} { 2 \pi }$$

واحد f، هرتز و عکس آن برابر دوره تناوب سیستم است و به صورت مدت زمان هر حرکت یا چرخش کامل، تعریف می‌شود.

دو سیستم فنر و جرم را در نظر بگیرید که سختی فنر در هر یک از آن‌ها با هم برابر است، اما جرم‌های متصل به فنرها با یکدیگر تفاوت دارند. بنابراین، فرکانس طبیعی دو سیستم با یکدیگر متفاوت خواهند بود. جرم سنگین‌تر با فرکانس طبیعی بسیار کوچک‌تری نسبت به جرم سبک‌تر، نوسان می‌کند. برای درک بهتر فرکانس طبیعی سیستم، از وسیله‌ای به نام دیاپازون استفاده می‌شود.

دیاپازون

هنگامی که به دیاپازون ضربه می‌زنیم، با فرکانس طبیعی شروع به نوسان می‌کند. نوسان دیاپازون سبب ارتعاش مولکول‌های هوای اطراف دیاپازون با فرکانس یکسانی می‌شود. با این فرض که شاخک‌های دیاپازون همانند پرتوهای کانتیلور به هنگام خم شدن رفتار می‌کنند، فرکانس طبیعی دیاپازون را می‌توان به صورت زیر به‌دست آورد:

$$f = \frac{1. 875 ^ 2}{2 \pi l ^ 2} \sqrt{\frac{E I}{\rho A}}$$

با تغییرات چگالی، سطح مقطع و طول هر یک از شاخک‌ها، می‌توان به فرکانس دلخواه رسید.

به هنگام بیان مدل جرم و فنر، فرض کردیم که اتلافی در سیستم وجود ندارد. بنابراین، جرم متصل به فنر می‌تواند تا بی‌نهایت نوسان کند. اما در دنیای واقعی این‌گونه نیست. هنگامی که جسم متصل به فنری نوسان می‌کند، با گذشت زمان دامنه نوسان آن کاهش می‌یابد و سرانجام نوسان به اتمام می‌رسد. زیرا انرژی سیستم با تبدیل به انرژی گرمایی، تلف می‌شود. اتلاف انرژی در تمام سیستم‌های مکانیکی واقعی وجود دارد. به این اتلاف انرژی و کاهش دامنه نوسان در سیستم‌های مکانیکی، میرایی گفته می‌شود. عامل‌های زیادی بر میرایی سیستم نوسانی تاثیر می‌گذارند:

  • میرایی ساختاری: انرژی نوسانی در ساختمان‌ها به‌ دلیل حرکت نسبی قسمت‌های مختلف ساختمان نسبت به یکدیگر و اتصالات ساختاری، تلف می‌شود.
  • میرایی مواد: انرژی در مواد ارتعاشی به دلیل برهم‌کنش‌ها در مقیاس مولکولی، تلف و به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

برای بهبود مدل جرم و فنر، می‌توانیم میرایی ناشی از عامل‌های مختلف در سیستم را توسط یک وسیله تکی میرا به نام میراگر، نشان دهیم. این وسیله از یک استوانه پر شده از مایه و پیستونی متحرک ساخته شده است. هر زمان که پیستون حرکت می‌کند، نیرویی در خلاف جهت حرکت بر آن وارد می‌شود. بزرگی نیروی میرایی متناسب با سرعت حرکت است. هرچه پیستون با سرعت بیشتری حرکت کند، اندازه نیروی میرا نیز بزرگ‌تر خواهد بود.

$$F = c v$$

c ضریب میرایی است و مقدار کل میرایی در سیستم را تعریف می‌کند. به این میرایی، میرایی گرانروی یا میرایی ویسکوزیته گفته می‌شود. مدل‌های دیگری نیز برای میرایی وجود دارند، ولی این مدل، یکی از ساده‌ترین مدل‌ها برای استفاده است. معادله حرکت سیستم را همانند قبل به‌دست می‌آوریم، با این تفاوت که علاوه بر نیروی بازگرداننده فنر، نیروی میرایی نیز در معادله حرکت، نوشته می‌شود:

$$m \frac{\text{d} ^ 2 x}{\text{d} t ^ 2}+ c \frac{\text{d}x}{\text{d}t} + kx = 0$$

حل این معادله، نسبت به معادله قبل، کمی سخت‌تر است. حل آن به مقدار میرایی در سیستم بستگی دارد. اگر سیستم در شرایط میرا نوسان کند، بزرگی هر نوسان متوالی، کاهش می‌یابد و پس از مدتی به طور کامل متوقف می‌شود. اگر اندازه دامنه نوسان سیستم در مدت زمان بسیار کوتاهی، به طور چشم‌گیری کوچک شود، می‌توان به این نتیجه رسید که استوانه از مایعی با گرانروی بسیار زیاد، مانند عسل، پر شده است. هر نوسانی که تحت نیروی میرا قرار داشته باشد، پس از مدت زمان مشخصی به اتمام می‌رسد. زمان رسیدن به توقف کامل به بزرگی نیروی میرا بستگی دارد. هرچه اندازه این نیرو بزرگ‌تر باشد، مدت زمان توقف نوسان بسیار کوتاه‌تر خواهد بود.

با حل معادله حرکت سیستم میرا، به سه جواب می‌رسیم:

  1. اگر جواب معادله حرکت به صورت $$x ( t ) = A e ^ {\frac{- c t}{2m}} \sin ( \omega _ d t + \phi)$$ باشد، حرکت سیستم به صورت نوسان کاهشی خواهد بود. به بیان دیگر، دامنه نوسان با گذشت زمان کاهش می‌یابد و پس از گذشت مدت زمان طولانی، دامنه آن به سمت صفر می‌رود و نوسان متوقف می‌شود.
  2. اگر جواب معادله حرکت به شکل $$x ( t ) = A e ^ {\lambda _ 1 t } + B e ^ { \lambda _2 t }$$ باشد، حرکت سیستم نوسانی نخواهد بود و دامنه سیستم در زمان کوتاه‌تری نسبت به حالت یک، به صفر می‌رسد.
  3. اگر جواب معادله حرکت به صورت $$x ( t ) = ( A + B t ) e ^ { - \omega t}$$ باشد، دامنه نوسان در زمان بسیار کوتاه‌تری نسبت‌ به حالت‌های یک و دو، به صفر می‌رسد.

به نسبت ضریب میرایی سیستم به ضریب بحرانی میرایی، نسبت میرایی گفته می‌شود.

$$\epsilon = \frac{c}{c_ {cr}}$$

مقدار این کمیت در بیشتر سیستم‌های واقعی کمتر از یک است.

نوسانات میرا

تا اینجا می‌دانیم، سیستم‌های نوسانی واقعی نمی‌توانند تا بی‌نهایت نوسان کنند و دامنه نوسان آن‌ها پس از مدت زمان مشخصی کاهش می‌یابد و به صفر می‌رسد. بنابراین، به هنگام نوشتن معادله حرکت برای سیستم‌های واقعی، عبارتی برای نشان دادن اتلاف در این سیستم‌ها، به آن اضافه می‌شود. همچنین در مورد فرکانس تشدید صحبت کردیم.

رزونانس، فرکانسی است که سیستم نوسانی با آن فرکانس، بدون اعمال نیروی خارجی، نوسان می‌کند. هنگامی که در کنار پنجره نشسته‌اید و به موزیکی با صدای بلند گوش می‌دهید، به طور حتم لرزش شیشه پنجره را احساس کرده‌اید. گاهی ممکن است صدای موزیک به گونه‌ای باشد که شیشه بشکند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا بلندی صدا سبب شکستن شیشه شده است؟ خیر، رزونانس، علت اصلی شکستن شیشه است. در واقع شکستن شیشه هنگامی رخ می‌دهد که فرکانس آهنگ پخش شده برابر فرکانس طبیعی نوسان شیشه باشد.

در مطالب بالا گفتیم، فرکانس طبیعی لیوان بلوری در حدود ۴۴۰ هرتز است. به این نکته توجه داشته باشید که لیوان بلوری به طور کامل خالص نیست و نقص‌هایی دارد، بنابراین نوسان آن میرا خواهد بود. اما فرکانس غالب آن برابر ۴۴۰ هرتز خواهد بود. میکروفون کوچکِ متصل به ژنراتوری را در فاصله اندکی از لیوان قرار می‌دهیم. طراحی میکروفون و ژنراتور به گونه‌ای است که می‌توانند امواج صوتی با فرکانس ۴۴۰ هرتز تولید کنند. سپس، میکروفن و لیوان را در فاصله بسیار کوچکی از یکدیگر قرار می‌دهیم. فرکانس طبیعی لیوان برابر ۴۴۰ هرتز است. میکروفن، امواج ارتعاشی با فرکانسی برابر فرکانس طبیعی لیوان، به سمت آن می‌فرستد و سبب نوسان لیوان با فرکانس طبیعی خود می‌شود. از آنجا که لیوان با فرکانس طبیعی ۴۴۰ هرتز نوسان می‌کند و انرژی دریافتی آن از میکروفن نیز، فرکانسی برابر ۴۴۰ هرتز دارد، با دامنه بزرگ‌تری شروع به ارتعاش خواهد کرد. اگر بلندگو برای مدت طولانی روشن باشد و نقص‌های داخل لیوان بسیار کم باشد، احتمال شکستن آن بسیار زیاد است. اما به این نکته توجه داشته باشید که لیوان شاید نشکند و تنها دیواره‌ آن بلرزد. رزونانس کمیت بسیار مهمی در مهندسی مکانیک است.

شکستن لیوان در فرکانس تشدید

مثال فرکانس تشدید

فرض کنید دو دیاپازون با فرکانس‌های تشدید یکسان داریم. اگر با چکش پلاستیکی، هر یک از دیاپازون‌ها را به ارتعاش درآوریم، با فرکانس یکسانی شروع به نوسان می‌کنند. وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • دو دیاپازون با فرکانس تشدید یکسان
  • توپ پینگ‌پنگ
  • نخ
  • نگه‌دارنده فلزی

نخی را به نگه‌دارنده فلزی می‌بندیم و انتهای آزاد نخ را به توپ پینگ‌پنگ گره می‌زنیم. سپس دو دیاپازون را در فاصله نزدیکی از یکدیگر قرار می‌دهیم و توپ پینگ‌پنگ را در کنار یکی از دیاپازون‌ها می‌گذاریم، به گونه‌ای که آن را لمس کند. با استفاده از چکش پلاستیکی، دیاپازون دوم را به ارتعاش درمی‌آوریم. از آنجا که فرکانس تشدید دو نوسان با یکدیگر برابر هستند، دیاپازونی که در کنار توپ قرار دارد نیز، شروع به نوسان می‌کند و توپ پینگ‌پنگی که در کنار آن قرار دارد، با گام‌های کوچکی از مکان اولیه خود به سمت خارج، می‌پرد.

آزمایش فرکانس تشدید

تا اینجا می‌دانیم انواع صدا چیست و با برخی از ویژگی‌های اصلی آن آشنا شدیم. در ادامه، در مورد نقش صدا در تولید موسیقی صحبت می‌کند. اما قبل از آن باید با امواج ایستاده آشنا شویم.

نقش امواج ایستاده چیست در تولید صدا چیست ؟

طنابی را در نظر بگیرید که یک سر آن آزاد و سر دیگر آن در نقطه‌ای ثابت نگه داشته شده است. سر آزاد طناب را با نیروی بسیار کوچکی، به سمت بالا و پایین حرکت می‌دهیم. در این حالت، طناب با فرکانس کوچکی شروع به نوسان می‌کند. اگر مقدار نیروی وارد شده به سر آزاد طناب را بیشتر کنیم، نوسان شدیدتر می‌شود. سرانجام در مقدار مشخصی از نیروی وارد شده یا در فرکانسی خاص، طناب به شکل زیر شروع به نوسان می‌کند.

ارتعاش طناب

به این نوسان، نخستین هارمونیک گفته می‌شود و فرکانس آن برابر $$f_1$$ است. $$f_1$$ کوچک‌‌ترین فرکانسی است که طناب به حالت تشدید می‌رود. باز هم همان طناب را در نظر بگیرید و سر آزادِ آن را به سمت بالا و پایین حرکت دهید، در فرکانس $$f _ 2$$، نوسان طناب به شکل جالبی در می‌آید. در این حالت، طناب به دو قسمت مساوی تقسیم می‌شود و هر دو قسمت در جهت‌های مخالف شروع به نوسان می‌کنند. نقطه میانی طناب به طور کامل ثابت می‌ماند و به آن گره گفته می‌شود. فرکانس $$f _ 2$$، فرکانس هارمونیک دوم و مقدار آن دو برابر فرکانس هارمونیک اول است.

امواج ایستاده هارمونیک دوم

طناب را با نیروی بزرگ‌تری به سمت بالا و پایین حرکت می‌دهیم. در این حالت، طناب به سه قسمت مساوی تقسیم می‌شود (دو گره) و به صورت نشان داده شده در تصویر زیر نوسان می‌کند. به این حالت هارمونیک سوم گفته می‌شود و فرکانس آن، $$f _ 3$$، سه برابر فرکانس هارمونیک اول است.

هارمونیک سوم

فرکانس تشدید در طناب به سه عامل بستگی دارد:

  1. به نیروی کشش بستگی دارد. اگر کشش طناب را افزایش دهیم، فرکانس بنیادی افزایش می‌یابد.
  2. به طول طناب بستگی دارد. اگر طول طناب را کاهش دهیم، فرکانس بنیادی افزایش می‌یابد.
  3. به جرم طناب بستگی دارد. اگر جرم را کاهش دهیم، فرکانس بنیادی افزایش می‌یابد.

بنابراین، برای تغییر فرکانس بنیادی طناب یا سیم، مشخصه‌های آن را می‌توانیم به گونه‌ای تغییر دهیم که به فرکانس دلخواه خود برسیم. خط‌کشی چوبی که انتهای آن دایره کوچکی قرار داشته باشد بردارید و سر نخی با طول ثابت را از درون آن رد کنید و گره بزنید. سپس سطل کاغذی را به صورت معکوس روی میز قرار دهید و کف آن را سوراخ و سر آزاد طناب را از داخل آن رد کنید و گره بزنید. در این حالت طنابی دارید که طول و جرم آن ثابت است. در ادامه، خط‌کش را به صورت زیر روی سطل کاغذی قرار دهید. تنها موردی که در این وسیله می‌توانیم تغییر دهیم، کشش نخ است. اگر با انگشت اشاره، به نخ ضربه‌های مختلف وارد کنیم، کشش نخ و در نتیجه فرکانس نوسان آن را تغییر می‌دهیم و صداهای مختلفی می‌شنویم. بنابراین، با ثابت نگه‌ داشتن یکی از سه فاکتور موثر بر فرکانس بنیادی، و تغییر فاکتورهای دیگر، می‌توانیم مقدار آن را تغییر دهیم.

ساخت وسیله موسیقی ساده

ویولن، چهار سیم دارد. جرم و کشش آن‌ها با یکدیگر فرق دارد، اما طول آن‌ها تقریبا با یکدیگر برابر است. با تغییر کشش هر سیم می‌توانیم ویولن را کوک کنیم. آیا تا به حال به نواختن ویولن توسط نوازنده دقت کرده‌اید. نوازنده با تغییر طول سیم‌های ویولن، آهنگ موردنظر خود را می‌نوازد. شاید از خود بپرسید نوازنده چگونه طول سیم‌ها را تغییر می‌دهد. با قرار دادن انگشت خود روی هر سیم، طول آن را تغییر می‌دهد. پیانوی استاندارد از ۲۳۰ سیم و ۸۸ کلید، ساخته شده است. بنابراین، بیشتر کلیدها بیشتر از یک سیم دارند. هر یک از این سیم‌ها، کشش، طول و جرم متفاوتی دارند. فرکانس صداهای تولید شده توسط پیانو از ۲7 هرتز شروع می‌شود و تا ۴۲ هرتز ادامه می‌یابد.

برخی از ابزار موسیقی از ستونی از هوا تشکیل شده‌اند. در این ابزار، ستون هوا به فرکانس تشدید می‌رسد و صدای موردنظر ایجاد می‌شود. نوازنده با دمیدن هوا به داخل این ستون به روش‌های مختلف، فرکانس‌های تشدید مختلفی را ایجاد می‌کند. دو انتهای ستون هوا در برخی از ابزار موسیقی باز است. فرکانس nامین هارمونیک در این ابزار به صورت زیر به دست می‌آید:

$$f _ n = \frac { n v } { 2 L}$$

در رابطه فوق:

  • n، تعداد هارمونیک‌ها است و مقدار آن می‌تواند از یک تا بی‌نهایت تغییر کند.
  • $$v$$، سرعت صوت در هوا و مقدار آن در حدود ۳۴۰ متر بر ثانیه است.
  • L، طول برحسب متر است.

اگر طول وسیله موسیقی بسیار زیاد باشد، مقدار فرکانس بسیار کوچک خواهد بود. اگر طول آن، مانند فلوت، بسیار کوچک باشد، فرکانسِ صدای تولید شده بسیار بزرگ است. اگر $$f_1$$ برابر ۱۰۰ هرتز باشد، $$f _ 2$$ و $$f_3$$ به ترتیب برابر 200 , 300 هستند یعنی فرکانس هارمونیک دوم و سوم، به ترتیب دو و سه برابر فرکانس هارمونیک اول خواهند بود. اگر یکی از دو سر وسیله موسیقی باز و سر دیگر آن بسته باشد، فرکانس هارمونیک از رابطه متفاوتی به‌دست می‌آید. اگر طول وسیله موسیقی برابر یک متر باشد، نخستین فرکانس هارمونیک آن برابر ۱۷۰ هرتز می‌شود. فلوتی ساده در تصویر زیر نشان داده شده است. نوازنده با قرار دادن انگشتان خود روی سوراخ‌های مختلف، طول ستون هوا و در نتیجه، فرکانس هارمونیک اول را تغییر می‌دهد.

فلوت

آلات موسیقی ساخته شده با سیم به صفحه صدا نیاز دارند. به عنوان مثال، دیاپازونی را در فاصله مشخصی از میز نگه دارید و با استفاده از چکش پلاستیکی آن را به ارتعاش درآورید. آیا صدای دیاپازون به راحتی شنیده می‌شود؟ خیر. زیرا صدا، فشار ایجاد شده در هوا یا همان ارتعاش مولکول‌های هوا و فشردگی آن‌ها و انتقال این فشردگی به مولکول‌های مجاور است. سطح دیاپازوت بسیار کوچک است، بنابراین صدای ایجاد شده توسط آن به سختی شنیده می‌شود. به طور مشابه، سطح سیم‌های ویولن بسیار کوچک است، به گونه‌ای که می‌توان گفت سطح مشخصی ندارند. بنابراین، هنگامی که سیم ویولن را به ارتعاش درمی‌آوریم، مولکول‌های هوا جابجا نمی‌شوند و صدایی شنیده نمی‌شود. اینجا، به تناقض می‌رسیم، زیرا آهنگ نواخته شده توسط ویولن به خوبی شنیده می‌شود. چگونه می‌توانیم به این تناقض پاسخ دهیم؟ دیاپازون را به ارتعاش درآورید و آن را روی میز قرار دهید. آیا صدایی می‌شنوید؟ بله، صدا دیاپازون به خوبی شنیده می‌شود.

دیاپازون روی میز
هنگامی که دیاپازون را روی میز قرار می‌دهیم، صدای آن به وضوح شنیده می‌شود.

هنگامی که دیاپازون را روی میز قرار می‌دهیم، میز نیز به همراه آن شروع به ارتعاش می‌کند. سطح میز نسبت به سطح دیاپازون بسیار بزرگ‌تر است، بنابراین هوای زیادی جابجا خواهد شد. از این‌رو، صدا را به خوبی می‌شنویم. نقش صفحه صدا با انجام این آزمایش ساده به خوبی مشخص می‌شود. اکنون، می‌دانیم چرا پس از نواختن سیم ویولن، صدای آهنگ را به خوبی می‌شنویم، زیرا ویولن به گونه‌ای ساخته شده است که تمام آن به صورت صفحه صدا عمل می‌کند. اگر صفحه پیانو را بالا ببرید، صفحه صدا را خواهید دید.

آلات موسیقی هم‌زمان می‌توانند بیش از یک فرکانس تشدید ایجاد کنند. در مقابل، دیاپازون تنها می‌تواند یک فرکانس تشدید ایجاد کند. برتری و زیبایی وسیله موسیقی نسبت به دیاپازون در همین نکته نهفته است. تعداد هارمونیک‌های ایجاد شده توسط هر وسیله موسیقی به عنوان اثر انگشت آن شناخته می‌شود. از این ویژگی برای شناخت آلات موسیقی مختلف استفاده می‌کنیم. برای پی بردن به تفاوت دیاپازون و آلات موسیقی مختلف، آزمایش جالبی را در ادامه انجام می‌دهیم. وسایل موردنیاز برای انجام این آزمایش عبارت هستند از:

  • دیاپازون
  • اسیلوسکوپ
  • آلات موسیقی مختلف
  • میکروفن

ابتدا، دیاپازون را با استفاده از چکش پلاستیکی به ارتعاش درمی‌آوریم و آن را جلوی میکروفن می‌گیریم. شکل موج ایجاد شده توسط دیاپازون، در اسیلوسکوپ به صورت زیر خواهد بود. فرکانس تشدید دیاپازون برابر ۴۴۰ هرتز است.

موج ایجاد شده توسط اسیلوسکوپ

در ادامه، فردی با استفاده از ساکسیفون، فرکانس ۴۴۰ هرتز را می‌نوازد. شکل موج ایجاد شده با شکل موج دیاپازون، بسیار متفاوت است.

فرکانس ۴۴۰ هرتزی توسط ساکسیفون

سپس، فردی با استفاده از ویولن، فرکانس ۴۴۰ هرتز را می‌نوازد. شکل موج ایجاد شده با شکل موج دیاپازون و ساکسیفون، بسیار متفاوت است. توجه به این نکته مهم است که در ویولن نه‌تنها فرکانس ۴۴۰، بلکه فرکانس‌های هارمونیک دیگر نیز شنیده می‌شوند، بنابراین شکل موج به طور کامل با شکل موج دیاپازون تفاوت دارد. به بیان دیگر، هنگامی که ویولن یا هر وسیله موسیقی دیگری را می‌نوازیم، به طور هم‌زمان می‌‌توان در چند رزونانس متفاوت، تشدید شود.

440 در ویولن

در مطالب بالا و در آزمایش شماره ۲ در ظرفی را با استفاده از درپوش پلاستیکی بستیم، به گونه‌ای که درپوش به طور کامل کشیده بود و شکم نداشت. سپس مقداری برنج رنگی روی درپوش قرار دادیم و دیاپازون مرتعشی را به آن‌ها نزدیک کردیم. به دلیل انتقال امواج صوت در هوا، دانه‌های برنج به حرکت درآمدند. در اینجا، آزمایشی مشابه ولی بسیار جالب‌تر را انجام می‌دهیم. در این آزمایش از صفحه‌ای مستطیل شکل استفاده می‌کنیم. مرکز صفحه ثابت است اما کناره‌های آن آزادانه حرکت می‌کنند. مرکز صفحه را می‌توانیم به صورت مکانیکی، نوسان دهیم.

گفتیم اگر انتهای طنابی را به دیوار بندیم و انتهای دیگر آن را آزادانه حرکت دهیم، هارمونیک‌های مختلفی تولید می‌شوند. اگر طناب به هنگام نوسان، تنها یک شکم (قله) ایجاد کند، در هارمونیک اول نوسان می‌کند. اگر دو شکم و یک گره در مرکز آن ایجاد شوند، در هارمونیک دوم نوسان خواهد کرد. گره ایجاد شده در یک بعد، تنها یک نقطه است. سوالی که ممکن است پیش بیاید آن است که گره‌ها در دو بعد به چه شکل هستند. گره‌ها در این حالت به شکل خط هستند، یعنی خط‌هایی روی صفحه داریم که ارتعاش نمی‌کنند.

مقداری پودر دلخواه روی صفحه می‌ریزیم و آن را با فرکانس‌های مختلفی به ارتعاش درمی‌آوریم. قبل از ارتعاش صفحه، دانه‌های پودر به صورت کاملا تصادفی روی صفحه پخش شده‌اند. صفحه در ابتدا با فرکانس کوچکی ارتعاش می‌کند، هنگامی که فرکانس به اولین فرکانس تشدید می‌رسد، دانه‌های پودر، شکل منظمی را روی صفحه تشکیل می‌دهند. با افزایش فرکانس و رسیدن به فرکانس‌های تشدید بالاتر، شکل‌های زیباتری مشاهده می‌شوند. در تصویر زیر یکی از این شکل‌های زیبا نشان داده شده است.

صفحه مستطیل شکل برای ارتعاش دوبعدی

تا اینجا می‌دانیم صدا چیست و با انجام چند آزمایش ساده با مفهوم صدا و امواج صوت آشنا شدیم. همچنین، در مورد فیزیک صدا و مهم‌ترین ویژگی‌های امواج صوت مانند دامنه نوسان، فرکانس، فرکانس تشدید و طول موج صحبت کردیم.

صدا چگونه منتقل می شود ؟

قبل از آن‌که در مورد چگونگی انتقال صدا صحبت کنیم، ابتدا باید بدانیم محیط انتقال و تاثیر آن بر صدا چیست. صدا می‌تواند در محیط‌های گازی، مایع و جامد، از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل شود. اما سوالی که باید به آن پاسخ دهیم آن است که تاثیر محیط انتقال امواج صوت بر صدا چیست. سرعت صوت در محیط جامد بیشتر است، زیرا فاصله مولکول‌ها در جامد بسیار کم است. به همین دلیل، ارتعاش دسته‌ای از مولکول‌ها، خیلی سریع به مولکول‌های مجاور می‌رسد. انتقال صدا در مایعی مانند آب، همانند انتقال‌ آن در جامد است. سرعت صوت در هوا در حدود یک‌چهارم سرعت آن در مایع و جامد است. سرعت امواج صوت در هوا می‌تواند به دلیل وزش باد با سرعت زیاد، کاهش یابد. سرعت صوت در محیط به جنس آن محیط بستگی دارد. در هوای خشک و در دمای ۲۰ درجه سلسیوس، سرعت صوت برابر ۳۴۳ متر بر ثانیه است و با تغییر دما، مقدار آن تغییر می‌کند. گفتیم اگر سرعت جسمی به سرعت صوت نزدیک شود، دیواری به نام دیوار صوتی تشکیل می‌شود و با افزایش سرعت به فراتر از سرعت صوت، این دیوار شکسته می‌شود و صدایی انفجار مانند شنیده می‌شود.

 

انتشار امواج صوت

در مطالب بالا فهمیدیم نقش ارتعاش در تولید و انتقال صدا چیست. هنگامی که جسمی ارتعاش می‌کند، انرژی جنبشی تولید و توسط مولکول‌های داخل محیط، منتقل می‌شود. هنگامی که امواج صوت به مولکول‌های هوا برخورد می‌کنند، انرژی جنبشی خود را به آن‌ها منتقل می‌کنند. بنابراین، مولکول‌های هوا با انرژی جنبشی جذب شده شروع به ارتعاش می‌کنند و مقداری از این انرژی را به مولکول‌های مجاور می‌دهند. این حالت شبیه انتقال حرکت موجی در فنر است. فنر بلندی را در نظر بگیرید که روی زمین قرار دارد. اگر چند حلقه ابتدایی آن را به یکدیگر نزدیک و سپس رها کنید، حلقه‌ها به سمت جلو حرکت می‌کنند و حلقه‌های بعدی را به حرکت درمی آورند. به این ترتیب، حرکت نوسان در طول فنر منتشر می‌شود. هر یک از حلقه‌های فنر را می‌توان به یکی از مولکول‌های هوا شبیه کرد.

امواج صوتی از الگوهای تراکمی و ترقیق، تشکیل شده‌اند. تراکم یا فشردگی هنگامی رخ می‌دهد که مولکول‌ها در فاصله بسیار نزدیکی از یکدیگر قرار گرفته باشند. در مقابل، ترقیق هنگامی اتفاق میفتد که فاصله مولکول‌ها از یکدیگر زیاد باشد. به بیان دیگر، هرچه تعداد مولکول‌ها در حجم مشخصی زیادتر باشد، تراکم در آن ناحیه بیشتر خواهد بود. هنگامی که امواج صوتی در محیط حرکت می‌کنند، انرژی آن سبب حرکت مولکول‌ها و ایجاد الگوهای تراکم و ترقیق می‌شود. حرکت مولکول‌ها پس از انتقال انرژی به مولکول‌های مجاور، تا زمانی که موج دیگری به آن‌ها برسد، کاهش می‌یابد. توجه به این نکته مهم است که مولکول‌ها با امواج صوت حرکت نمی‌کنند، بلکه انرژی امواج صوت از مولکولی به مولکول دیگر منتقل می‌شود. انرژی منتقل شده بین اتم‌ها، طرح‌های تراکم و ترقیق را ایجاد می‌کند.

فشار در نواحی متراکم، زیاد و در نواحی با تراکم کمتر، کم است. صداهای مختلف، طرح‌های متفاوتی را ایجاد می‌کنند. بنابراین، یکی از راه‌های تشخیص صداها، مراجعه به الگوهای ایجاد شده توسط آن‌ها است. طول موج امواج صوت از یک تراکم و یک ترقیق، تشکیل شده است.

امواج صوت

انرژی امواج صوت با حرکت در محیط، کاهش می‌یابد. بنابراین، صحبت کردن افراد در فاصله بسیار دور را نمی‌شنویم. اما اگر فاصله آن‌ها به نسبت کم باشد، صداهای نامفهومی را خواهیم شنید. هنگامی که امواج صوت در فضای اطراف حرکت می‌کنند، توسط محیط‌های مختلف مانند دیوار یا صخره، منعکس می‌شوند. به این انعکاس، «اکو» (echo) می‌گوییم. اگر در دره‌ای وسیع یا در غار باشید، اکوی صدای خود را در فاصله بسیار دور خواهید شنید.

در مطالب بالا، درمورد ویژگی‌های اصلی صدا یعنی فرکانس (گام صدا یا صدای زیر و بم)، مدت زمان یا ریتم، دامنه، طول موج و تن آن، صحبت کردیم. موسیقی‌دانان با استفاده از این چهار ویژگی و دست‌کاری آن‌ها، الگوهایی تکراری و آهنگ موردنظر خود را می‌سازند.

تا اینجا، می‌دانیم فیزیک صدا چیست. همچنین، کمی در مورد نواختن موسیقی و چهار ویژگی اصلی صدا صحبت کردیم. گام و تن از ویژگی‌های اصلی صدا هستند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که تفاوت، نت، تن و گام با یکدیگر چه هستند. در ادامه، به این پرسش پاسخ می‌دهیم.

تفاوت گام و تن در صدا چیست ؟

در بیشتر مواقع، تن و گام به جای یکدیگر استفاده می‌شوند. استفاده آن‌ها به جای یکدیگر کار درستی نیست، زیر از نظر مفهومی با یکدیگر تفاوت دارند. برای آن‌که تفاوت تن و گام را بدانیم، باید به این پرسش پاسخ دهیم، چرا صدا را می‌شنویم و به چه دلیل هر صدا، گام منحصربه‌فردی دارد؟ در مطالب بالا گفتیم صدا به دلیل حرکت مولکول‌های هوا تولید می‌شود. هر گامی که در موسیقی استفاده می‌کنیم با استفاده از فرکانس خود تعریف می‌شود. به طور معمول، صدایی با یک گام به صورت موج سینوسی نشان داده می‌شود. اما استفاده از فرکانس به هنگام نواختن آهنگ برای موسیقی‌دان بسیار سخت خواهد بود. بنابراین، آن‌ها برای راحتی کار به هر فرکانس نام مشخصی داده‌اند که به آن نت گفته می‌شود. نت در مقایسه با فرکانس، اطلاعات بیشتری منتقل می‌کند. نت نمادی نوشتاری است که برای نشان دادن مدت زمان و گام صدا، استفاده می‌شود.

تا اینجا، می‌دانیم صدا چیست و چگونه تولید می‌شود، اما سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا صدا را می‌توان ذخیره کرد.

صدا چگونه ذخیره می شود ؟

در این قسمت در مورد ذخیره صدا در کامپیوتر صحبت می‌کنیم. برای ذخیره کردن صدا در کامپیوتر، ابتدا باید آن را به دیجیتال تبدیل کنیم. چگونه این کار را می‌توان انجام داد؟ هنگامی که می‌خواهیم برای جمعیت زیادی صحبت کنیم یا با استفاده از کامپیوتر با دوست خود در کشور دیگری تماس صوتی/تصویری گرفته‌ایم، از میکروفن استفاده می‌‌کنیم. بیشتر میکروفن‌ها از دیسکی پلاستیکی با آهن‌ربایی در مرکز آن، ساخته شده‌اند. این دیسک به سیم‌پیچی مسی متصل شده است. آهن‌ربا می‌تواند داخل سیم‌پیچ مسی ارتعاش کند. ارتعاش چگونه ایجاد می‌شود. هنگامی که صحبت می‌کنیم، امواج صوتی، آهن‌ربا را به ارتعاش درمی‌آورند.

پس از به ارتعاش درآمدن آهن‌ربا، سیگنا‌ل‌های آنالوگ تولید و توسط سیم میکروفن به کامپیوتر منتقل می‌شوند. در کامپیوترها قطعه‌ای سخت‌افزاری به نام «ای دی سی» (Analog to Digital Converter | ADC) وجود دارد. این قطعه، سیگنال آنالوگ را از میکروفن دریافت می‌کند و آن را در فاصله‌های منظم اندازه می‌گیرد. امواج صوت شکل‌های مختلفی دارند. فرض کنید امواج دریافتی توسط کامپیوتر به شکل زیر باشد. نقطه‌های قرمز، موج را در فاصله‌های زمانی منظم نشان می‌دهد. هر قسمت از موج صوتی پس از اندازه‌گیری توسط کامپیوتر، در آن ذخیره می‌شود.

ضیط صدا

فرض می‌کنیم صدا روی سی‌دی ذخیره می‌شود. در این حالت، در هر ثانیه، ۴۴۱۰۰ اندازه‌گیری در ثانیه انجام می‌شود. بنابراین، ۴۴۱۰۰ اندازه‌گیری در هر ثانیه، برای نشان دادن موج صوتی آنالوگ، ذخیره می‌شود. برای ذخیره صدا، تنها نمی‌توان از صفر یا یک و خاموش یا روشن، استفاده کرد. برای ذخیره صدا باید از مقیاس متغیری به نام «چگالی بیت» (bit depth) استفاده کنیم. به هنگام ضبط صدا روی سی‌دی، مقدار این متغیر از صفر تا ۶۵۵۳۵ تغییر می‌کند که برابر ۱۶ بیت است. به بیان دیگر، هر نقطه داده برابر ‍۱۶ بیت است. بنابراین، ADC پس از دریافت سیگنال آنالوگ و انجام عملیات لازم، آن را به سیگنال دودویی تبدیل می‌کند. در نتیجه، با استفاده از کامپیوتر یا دیگر وسیله‌های الکتریکی می‌توان صدا را به صورت دیجیتال ذخیره کرد.

صدا چگونه ضبط می شود ؟

در این قسمت، چگونگی ضبط صدا را با ساختن گرامافونی ساده توضیح می‌دهیم. گرامافون نخستین وسیله‌ای بود که برای ضبط و پخش صدا ساخته شد. وسایل موردنیاز برای ساخت گرامافون خانگی عبارت هستند از:

  • چوبی به ضخامت حدود دو سانتی‌متر
  • اره
  • دریل برقی
  • پیچ با اندازه‌های مختلف
  • چسب چوب
  • قوطی پلاستیکی به همراه درپوش فلزی
  • میله فلزی به طول ۷۰ سانتی‌متر و قطر یک سانتی‌متر
  • چسب حرارتی
  • فویل آلومینیوم
  • پونز
  • بطری آب یا نوشابه

چوب به ضخامت دو سانتی‌متر را با استفاده از اره به سه قسمت (دو قسمت مساوی و صفحه چوبی بزرگ‌تر) تقسیم می‌کنیم. دو قسمت مساوی، مربع‌هایی به طول ۲۰ سانتی‌متر هستند. همچنین صفحه بزرگ‌تر مستطیلی به عرض ۴۰ سانتی‌متر و طول ۵۰ سانتی‌متر است. قسمت بالای صفحه‌ها مربع‌شکل را به وسیله دریل سوراخ می‌کنیم

ساخت گرامافون مرحله اول

سپس، هر یک از قطعه‌های مربعی را با استفاده از چسب چوب، روی صفحه بزرگ‌تر و روبروی هم می‌چسبانیم.

ساخت گرامافون مرحله دوم

قوطی پلاستیکی با درپوش فلزی را برمی‌داریم و با استفاده از دریل سوراخی در مرکز درپوش فلزی و سوراخی در کف ظرف و روبروی سوراخ اول ایجاد می‌کنیم. توجه به این نکته مهم است که قطر سوراخ‌های ایجاد شده توسط دریل در حدود یک‌ سانتی‌متر است.

ساخت گرامافون مرحله سوم

در ادامه، میله فلزی را از داخل قوطی فلزی عبور می‌دهیم و میله را داخل هر یک از سوراخ‌های صفحات چوبی مربع‌شکل به شکل نشان داده شده در تصویر زیر قرار می‌دهیم و با استفاده از پیچ آن‌ را محکم می‌کنیم.

ساخت گرامافون مرحله چهارم

سپس، درپوش فلزی دیگری را به همراه کاسه‌ای پلاستیکی با حفره‌ای در کف آن برمی‌داریم. به این نکته توجه داشته باشید که قطر درپوش و کاسه، تقریبا با یکدیگر برابر هستند. البته، قطر کاسه کمی از درپوش کوچک‌تر است، بنابراین به راحتی می‌توانیم آن را به صورت وارونه داخل درپوش قرار دهیم. کاسه پلاستیکی را با استفاده از چسب حرارتی به درپوش فلزی محکم می‌کنیم.

ساخت گرامافون مرحله پنجم

در ادامه، بطری آب یا نوشابه را به صورت افقی روی میز قرار می‌دهیم و با استفاده از اره کوچکی، سر آن را می‌بریم.

ساخت گرامافون مرحله ششم

بطری را به صورت وارونه داخل سوراخ کاسه قرار می‌دهیم و با استفاده از چسب آن را محکم می‌کنیم. سپس، انتهای آن را با استفاده از قیچی می‌بریم. پونزی را به صورت وارونه روی درپوش فلزی قرار می‌دهیم و با استفاده از چسب حرارتی آن را می‌چسبانیم.

ساخت گرامافون مرحله هفتم

بالای صفحه‌ای فلزی به طول ۱۵ سانتی‌متر و عرض ۵ سانتی‌متر (در قسمت عرضی) دو سوراخ کوچک ایجاد می‌کنیم و آن را به کمک دو پیچ، روی درپوش فلزی، محکم می‌بندیم.

ساخت گرامافون مرحله هشتم

اکنون همه چی برای ضبط صدا آماده است. در پایان فویل آلومینیومی نازکی را برمی‌داریم و ضخامت آن را با چند لایه تا زدن، افزایش می‌دهیم. سپس، فویل را به دور قوطی پلاستیکی داخل میله فلزی می‌پیچیم. قبل از ضبط صدا، کمی به عملکرد گرامافون توجه و سعی می‌کنیم نقش هر یک از قسمت‌های گرامافون ساخته شده را درک کنیم.

گرامافون، توسط ادیسون اختراع شد و به یکی از پرکاربردترین دستگاه‌های پخش‌کننده صدا بین سال‌های ۱۸۷۹ تا ۱۹۸۰ میلادی، تبدیل شد. این وسیله از صفحه‌ای به شکل دایره و سوزنی برای قرار گرفتن روی صفحه‌ای از جنس وینیل و پخش صدا، تشکیل شده است. در وسیله ساده‌ای که مراحل ساخت آن را نشان دادیم، فویل پیچیده شده به دور قوطی پلاستیکی و پونز، به ترتیب در نقش صفحه گرامافون و سوزن آن عمل می‌کنند.

برای ضبط صدا، کنار گرامافونی که ساخته‌ایم می‌ایستیم و میله را به همراه قوطی پلاستیکی با سرعت ثابتی می‌چرخانیم و کلمه‌ای را با صدای بلند تکرار می‌کنیم. شاید صدا در تلاش‌های اول ضبط نشود، اما پس از چندین بار تلاش، می‌توانیم صدای ضبط شده خود را، نه خیلی واضح، بشنویم.

ضبط صدا

تا اینجا می‌دانیم فیزیک صدا چیست و با مشخصه‌های اصلی امواج صوت آشنا شدیم. یکی از مهم‌ترین پرسش‌هایی که همواره در مورد صدا مطرح بوده آن است که آیا صدا در خارج از جو زمین شنیده می‌شود. در ادامه، به این پرسش پاسخ می‌دهیم.

آیا صدا در فضا شنیده می شود ؟

در مطالب بالا گفتیم که صدا برای انتقال از نقطه‌ای به نقطه دیگر به محیط انتشار نیاز دارد. بنابراین، این‌گونه به نظر می‌رسد که صدا در خلأ شنیده نمی‌شود، زیرا هیچ ذره‌ای در محیط خلأ وجود ندارد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا صدا در خارج از جو زمین و در فضا شنیده می‌شود. آیا فضا، خلأ مطلق است؟ قبل از آن‌که به این پرسش‌ها پاسخ دهیم، خالی از لطف نیست که کمی در مورد محیط خلأ و ویژگی آن صحبت کنیم.

خلأ چیست ؟

برخی از دانشمندان اعتقاد دارند خارج از جو زمین، خلأ مطلق وجود دارد. به جایی در فضا که ماده وجود نداشته باشد، خلأ می‌گوییم. از آنجا که ماده‌ای در فضا وجود ندارد، فشار آن بسیار کوچک خواهد بود. ایجاد خلأ مطلق در زمین تقریبا ناممکن است، بنابراین دانشمندان تنها فضایی با فشار بسیار کوچک به نام خلأ نسبی می‌توانند ایجاد کنند. درک محیط خلأ برای انسان بسیار سخت است. حتی پیدایش کیهان از نقطه‌ای بسیار متراکم با جرم بسیار زیاد آغاز شده است. بنابراین، درک محیطی خالی از ماده و سرشار از هیچ برای انسان بسیار سخت خواهد بود.

 

گرچه کیهان اولیه بسیار متراکم بود، اما پس از گذشت ۱۳/۸ میلیارد سال از آغاز جهان و انبساط سریع آن، بخش زیادی از کیهان، خالی از ماده شده است. بر طبق محاسبات انجام شده، چگالی کیهان برابر ۵/۹ پروتون در متر مکعب است. توجه به این نکته مهم است که حتی خلأ در فضا نیز به طور کامل مطلق نیست و بین کهکشان‌ها، در هر سانتی‌متر مکعب، تقریبا یک اتم وجود دارد. بنابراین، فضای بین کهکشانی به طور کامل، تهی و خالی از ماده نیست. اگر تمام اتم‌های خارج از جو زمین را حساب کنیم، در حدود ۹۰ درصد هیدروژن، ۹ درصد هلیوم و کمتر از یک درصد عناصر دیگر داریم. گرچه مقدار یک اتم در هر سانتی‌متر مکعب بسیار کوچک است، اما این بدان معنا است که خارج از جو زمین نیز خلأ مطلق به معنای واقعی وجود ندارد. چگالی در خارج از جو زمین بسیار کوچک است.

آیا در فضا به طور مطلق صدا وجود ندارد؟ امواج صوت، مولکول‌های اطراف خود را به ارتعاش درمی‌آورند و انرژی جنبشی از منبع صدا به مولکول‌های اطراف منتقل می‌شود. برای آن‌که امواج صوت بتوانند از مولکولی به مولکول دیگر منتقل شوند، فاصله آن‌ها از یکدیگر نباید بیش از اندازه معینی باشد. اما در فضا، چگای اتم‌ها بسیار کوچک و فاصله آن‌ها از یکدیگر بسیار زیاد است. بنابراین، صدا نمی‌تواند از اتمی به اتم دیگر منتقل شود. در نتیجه، صدا در فضا انتشار نمی‌یابد. اما جمله صدا در فضا شنیده نمی‌شود، اشتباه است. این جمله به این صورت اصلاح می‌شود، صدا در فضا شنیده نمی‌شود، مگر آن‌که در جو سیاره‌ قرار داشته باشیم. سرعت صوت در سیاره زهره بیشتر از سرعت آن در زمین است، زیرا ضخامت و چگالی جو زهره بیشتر از جو زمین است.

صدای سیاره ها

در سال ۲۰۲۲، مردم برای نخستین بار به کمک دو میکروفن نصب شده روی مریخ‌نورد ناسا به نام Perserverance توانستند صدای سیاره مریخ را بشنوند. این صداها با آنچه در زمین می‌شنوید به طور کامل متفاوت است. دلیل این موضوع به جو سیاره مریخ و ترکیب‌ و چگالی متفاوت آن نسبت به جو زمین برمی‌گردد.

میدان مغناطیسی زمین، حبابی دینامیکی و پیچیده است که ما را در برابر تشعشعات کیهانی و ذرات باردار طوفان خورشیدی محافظت می‌کند. هنگامی که این ذرات باردار به اتم‌ها و مولکول‌های لایه بالایی جو برخورد می‌کنند، قسمتی از انرژی برخورد به نور سبز تبدیل می‌شود که به آن شفق قطبی می‌گوییم. در حالی‌که شفق قطبی، نمایشی زیبا از برخورد ذرات باردار طوفان خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین را نشان می‌دهد، شنیدن صدای میدان مغناطیسی زمین، موضوع دیگری است.

در سال ۲۰۱۳ میلادی، از ماهواره‌های Swarm برای فهمیدن ماهیت میدان مغناطیسی زمین و چگونگی ایجاد آن، استفاده شد. موسیقی‌دانی به نام «کلاوس نیلسن» (Klaus Nielsen) از دانشگاه صنعنی دانمارک با استفاده از داده‌های به‌دست آمده از این ماهواره‌ها و منابع دیگر و همچنین به کارگیری سیگنال‌های میدان مغناطیسی، صدای میدان مغناطیسی زمین را شبیه‌سازی کرد.

در مطالب بالا به پرسش صدا چیست به زبان ساده پاسخ دادیم و در مورد فیزیک حاکم بر آن صحبت کردیم. نکته‌های جالبی در مورد صدا وجود دارند که دانستن آن‌ها خال از لطف نیست.

نکته های جالبی که در مورد صدا نمی دانید

روزانه صداهای مختلفی را در اطراف خود می‌شنویم. مهم نیست در کجا باشید، گوش شما می‌تواند برخی از صداها را بشنود. صداها به ما کمک می‌کنند تا چیزهای مختلفی را در اطراف خود تفکیک کنیم. تا اینجا می‌دانیم ویژگی‌های کلی صدا چیست و صدا چگونه تولید می‌شود. همچنین، با تعریف تن، نقش صدا در موزیک و چگونگی ذخیره و ضبط صدا آشنا شدیم. نکته‌های جالبی در مورد صدا وجود دارند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

  • آیا می‌دانید چه صدایی بلندتر از بوق اتومبیل است؟ گریه انسان که در حدود ۱۱۵ دسی‌بل است.
  • بلندترین صدای طبیعی روی زمین، به دلیل فوران آتشفشان ایجاد می‌شود.
  • گفتیم محدود شنوایی انسان بین ۲۰ هرتز تا ۲۰۰۰۰ هرتز است. سگ‌ها می‌توانند صداهایی با فرکانسی بسیار بزرگ‌تر از ۲۰ هزار هرتز را بشنوند.
  • مگس‌ها نمی‌توانند هیچ صدایی، حتی صدای وزوز خود را بشنوند.
  • از آنجا که ذرات در آب نسبت به هوا به یکدیگر نزدیک‌تر هستند، سرعت صوت در آب، چهار برابر آن در هوا است.
  • صدا با سرعتی در حدود ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند.
  • بیشتر گاوهایی که به موزیک گوش می‌دهند، شیر بیشتری نسبت به گاوهایی که موزیکی گوش نداده‌اند، تولید می‌کنند.
  • اگر جلوی هرم ال کاستیلو دست بزنید، اکوی صدا شبیه چهچه زدن پرنده خواهد بود.
  • اگر بخواهیم صدای شلاق زدن را بشنویم، باید آن را با سرعتی بیشتر از سرعت صوت در هوا، حرکت دهیم.
  • در فیلم‌های ترسناک از صداهایی با فرکانسی کمتر از ۲۰ هرتز استفاده می‌شود. گرچه انسان این صداها را نمی‌تواند بشنود ولی با قرار گرفتن در نزدیکی آن‌ها دچار لرز، اضطراب و تپش قلب می‌شود.
  • دلفین به دلیل شنیدن و توانایی در ایجاد رابطه با دیگران، معروف هستند. آن‌ها می‌توانند امواج فراصوت را بشنوند. خفاش‌ها نیز با استفاده از امواج فراصوت می‌توانند محیط اطراف خود را شناسایی کنند. آن‌ها حتی می‌توانند صداهایی تا فرکانس ۲۰۰ هزار هرتز را بشنوند.

جمع‌بندی

این مطلب را با پرسیدن سوالی بسیار مهم آغاز کردیم، صدا چیست و چگونه منتقل می‌شود. صدا، موج ارتعاشی است که در محیط‌های مختلفی مانند هوا، آب یا فلز، منتقل می‌شود. در ادامه، آزمایش‌های ساده‌ای را برای درک بهتر مفهوم صدا و امواج صوتی توضیح دادیم. در پایان، در مورد ذخیره صدا، ضبط صدا و شنیدن صدا در خارج از جو زمین صحبت کردیم. بنابراین، با خواندن این مطلب می‌دانیم:

  • مهم‌ترین ویژگی‌های صدا چیست.
  • نقش ارتعاش در تولید و انتشار صدا چیست.
  • امواج ایستاده چگونه به خلق موسیقی کمک می‌کنند.
  • انتشار صدا در خلأ چگونه است.
بر اساس رای ۲۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
KIDSindiatimesdBمجله فرادرس
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *