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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

آزمایش شماره ۵

• 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.

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.

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.

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

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.

فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

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.

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

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 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.

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.

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 ؟

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.

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.

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.

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.

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.

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 ؟

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.

هم رزونانس در صدا چیست ؟

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.

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.

فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ – مفاهیم پایه + حل مثال در فرادرس

کلیک کنید

$$\sum F = m a$$

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:

$$kx + m a = 0$$

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

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

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:

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

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

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.

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:

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

• 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.

$$F = c v$$

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

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.

فیلم آموزش مکانیک تحلیلی 1 Analytical Mechanics

کلیک کنید

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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.

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 ؟

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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 ؟

خلأ چیست ؟

صدای سیاره ها

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.