امواج صوتي

امواج صوتي

امواج صوتي ، امواج مكانيكي طولي هستند. اين فيزيك امواج مي‌توانند در جامدات ، مايعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادي منتقل كننده اين فيزيك امواج ، در راستاي انتشار موج نوسان مي‌كنند. فيزيك امواج مكانيكي طولي در گستره وسيعي از بسامدها به وجود مي‌آيند و در اين ميان بسامدهاي فيزيك امواج صوتي در محدوده‌اي قرار گرفته‌اند كه مي‌توانند گوش و مغز انسان را براي شنيدن تحريك كنند.

اين محدوده تقريبا از ۲۰ هرتز تا حدود ۲۰۰۰۰ هرتز است و گستره شنيده شدني ناميده مي‌شود. فيزيك امواج مكانيكي طولي را كه بسامدشان زير گستره شنيده شدني باشد امواج فرو صوتي ، و آنهايي كه بسامدشان بالاي اين گستره باشد ، امواج فراصوتي گويند.

توليد صوت :

هر گاه به جسمي ضربه مي‌زنيم لايه‌هاي هوا بين دست ما در جسم جابجا مي‌شوند و اگر اين جابجاييها بيش از ۱۶ بار در ثانيه باشند، صدا ايجاد مي‌شود. براي اينكه بهتر بتوانيم نقش اندامهاي گفتار را در توليد آواهاي زبان فارسي مورد مطالعه قرار دهيم، ابتدا به نظر مي‌رسد لازم است مطالب مختصري درباره چگونگي توليد آوا يا صوت ارائه كنيم.

آوا يا صوت از ارتعاش مولكولهاي هوا حاصل مي‌شود. ارتعاش يعني حركت مولكولهاي هوا از جاي خود در مسير معين و بازگشت آنها به جاي اوليه. اين پديده فيزيكي را اصطلاحا موج مي‌ناميم. براي آنكه بتوانيم يك تصوير تقريبي از طرز بوجود آمدن موج صوتي را مجسم كنيم پاندولي را در نظر مي‌گيريم. اگر وزنه پاندول را به يك طرف كشيده آن را رها سازيم، پاندول با سرعت ، به منتهي اليه طرف ديگر رفته دوباره در همان مسير بجاي اول مي‌گردد. اين حركت به دفعات زياد صورت مي‌گيرد، ولي در هر دفعه خط سير آن اندكي كوتاهتر مي‌شود تا اينكه وزنه پاندول دوباره به حالت اوليه يعني سكون در آيد.

وزنه پاندول در اين حركت ، لايه‌اي از مولكولهاي هوا را با خود به جلو مي‌راند و اين عمل موجب مي‌شود كه در يك سوي وزنه ، رقت مولكولي در سوي ديگر تراكم مولكولي ايجاد شود. رقت يعني زياد شدن فاصله بين مولكولها و تراكم يعني كم شدن فاصله آنها. اگر با دو دست يك لاستيك را بكشيم طول لاستيك زياد مي‌شود يا به سخن ديگر ، لاستيك كش مي آيد.

علت اين موضوع آن است كه فاصله بين مولكولها در قسمتهاي مياني لاستيك زياد شده و مولكولها بين دو سر لاستيك زياد شده و مولكولها به طرف دو سر لاستيك كشانده مي‌شوند و در نتيجه فاصله ميان مولكولها در دو سر لاستيك كم مي‌شود. بدين ترتيب در قسمت مياني لاستيك رقت مولكولي و در دو سر آن تراكم مولكولي ايجاد مي‌شود. اكنون اگر دو سر لاستيك را رها كنيم مولكولها دوباره به جاي اوليه خود بر مي‌گردند.

خاصيت ارتجاعي هوا :

هوا نيز داراي همين خاصيت ارتجاعي است، منتهي به مراتب بيشتر از لاستيك. هر رقت و تراكم مولكولي در هوا موجب رقت و تراكمهاي ديگر مي‌گردد. بدين معني كه ، هنگامي كه يك لايه از مولكولهاي هوا به جلو رانده مي‌شود اين لايه به نوبه خود لايه ديگري را به جلو مي‌راند و خود به حال اول بر مي‌گردد. لايه جديدي نيز لايه ديگري را ، و به همين ترتيب اين عمل بارها و بارها تكرار مي‌گردد تا انرژي به پايان برسد. اين جابجايي مولكولها اگر بيش از ۱۶مرتبه در ثانيه تكرار گردد صدا بوجود مي‌آيد.

اگر كتابي را از ارتفاع معيني به طرف زمين رها كنيم بر اثر سقوط كتاب ، فشار هواي بين كتاب و زمين زياد مي‌شود و اين فشار ، مولكولهاي هوا را به اطراف مي‌راند. مولكولهاي رانده شده به نوبت مولكولهاي مجاور خود را به جلو رانده و خود به حالت اول بر مي‌گردند. اين عمل آنقدر تكرار مي‌شود تا انرژي حاصل از سقوط كتاب به پايان برسد. هنگام تماس كتاب با زمين صدايي به گوش مي‌رسد، در صورتي كه در اثناي سقوط آن صدايي شنيده نمي‌شود.
علت اين است كه هنگام تماس كتاب با زمين ، بر اثر زياد بودن مقدار انرژي جابجا شدن مولكولها يا همان رقت و تراكم هوا خيلي بيشتر از ۱۶ مرتبه در ثاينه است و به اين علت صداي حاصله قابل شنيدن مي‌باشد. هر رقت و تراكم يك سيكل نام دارد و تعداد سيكل در ثانيه تواتر يا بسامد ناميده مي‌شود. بنابراين ، وقتي مي‌گوييم فركانس (تواتر) موج مثلا ۵۰۰ سيكل است، يعني ۵۰۰ مرتبه رقت و تراكم در مولكولهاي هوا ايجاد شده است. هر قدر بسامد بيشتر باشد صدا به اصطلاح زيرتر است و نيز قدر بسامد كمتر باشد صدا اصطلاحا بمتر است.

چشمه فيزيك امواج فروصوتي و فراصوتي :

فيزيك امواج فروصوتي كه با آنها سروكار داريم معمولا توسط چشمه‌هاي بزرگ توليد مي‌شوند. امواج زمين لرزه‌اي از آن جمله‌اند. بسامدهاي بالاي مربوط به فيزيك امواج فراصوتي را مي‌توان به وسيله ارتعاشات كشسان يك بلور كوارتز كه بر اثر تشديد با يك ميدان الكتريكي متناوب در بلور القا شده است ، ايجاد كرد. به اين طريق مي‌توان بسامدهاي فراصوتي به بزرگي ۶×۱۰۸ هرتز توليد كرد. طول موج متناظر با اين بسامد در هوا در حدود ۵×۱۰-۵ سانتي‌متر است كه همان حدود طول موج نور مرئي است.

مشخصات فيزيكي :

جابجايي يا ارتعاش مولكولهاي هوا در تمام جهات صورت مي‌گيرد و بسته به مقدار انرژي موجود ، هر لايه از مولكولها مسافتي را طي مي‌كنند. به سخن ديگر هر چه انري بيشتر باشد مسافتي را كه موج مي‌پيمايد بيشتر است. طول مسافتي را كه هر طبقه از مولكولهاي هوا طي نموده و دوباره به جاي اوليه خود بر مي‌گردد دامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زيادتر باشد صدا بلندتر است. بلندي صدا را با زير و بمي آن نبايد اشتباه كرد، زيرا بلندي صدا مربوط به تعداد ارتعاش در ثانيه است.

بنابراين صداي ممكن است بم ولي بلند باشد. بالعكس صداي ديگري ممكن است زير ولي كوتاه باشد. اگر امواج صوتي در مسير حركت خود به جسمي از قبيل پرده گوش برخورد كنند و آن را به همان اندازه مرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسيله اندامهاي گوش داخلي به مراكز اعصاب شنوايي منتقل گشته و در نتيجه صدا شنيده مي‌شود و عكس العمل لازم صادر مي‌شود.

چشمه فيزيك امواج شنيده شدني :

فيزيك امواج شنيده شدني در تارهاي مرتعش (بلندگو ، طبل) ايجاد مي‌شوند. همه اين عناصر مرتعش به تناوب هواي پيرامون خود را در حركت به طرف جلو ، فشرده و در حركت به طرف عقب ، رقيق مي‌كنند. هوا اين آشفتگيها را بصورت موج از چشمه به خارج انتقال مي‌دهد. اين فيزيك امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را بوجود مي‌آورند. موجهايي كه تقريبا متناوب هستند و يا تعداد كمي از مؤلفه‌هاي تقريبي متناوب را شامل مي‌شوند، احساس خوشايندي بوجود مي‌آورند (اگر شدت خيلي زياد نباشد) اصوات موسيقي از اين جمله‌اند. صوتي كه شكل موج آن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنيده مي شود. نوفه را مي‌توان برهمنهشي از امواج متناوب دانست كه در آن تعداد مؤلفه‌ها خيلي زياد است.

يك آزمايش ساده :

دو سر يك سيم فولادي به طول يك متر و به قطر يك ميليمتر را كه كشيده شده و بوسيله دو قطعه سنگ يا آهن محكم شده است ، در نظر مي‌گيريم. حال اگر وسط سيم را به كناري كشيده و رها كنيم صدايي شنيده نمي‌شود، در صورتي كه ارتعاش آن كاملا به چشم ديده مي‌شود. ولي اگر يك طرف سيم را به كنار يك لنگه در تخته‌اي متصل كنيم و آزمايش را دوباره انجام دهيم، صداي آن كاملا شنيده مي‌شود، با وجود آنكه ارتعاش آن مشهود نيست. علت اين امر آن است كه در دفعه اول هواي مجاور سيم بجاي اينكه تراكم و انبساط پيدا كند، روي سيم لغزيده است و در مرتبه دوم هواي مجاور لنگه در ، مجال لغزيدن و رسيدن به كنار آن را قبل از تجديد ارتعاش نداشته است.

امواج صوتي در جامدات و مايعات :

همانطور كه درون هوا ارتعاشات طولي توام با تراكم و انبساط منتشر مي‌شود، به همان طريق نيز ارتعاشات طولي توأم با تراكم و انبساط در داخل مايعات و جامدات انتشار پيدا مي‌كنند. اگر ميله فلزي را براي لحظه كوتاهي در امتداد خودش كشيده و رها كنيم ، تراكم و انبساط در طول ميله انتشار پيدا خواهد كرد و همين طور اگر نقطه‌اي از جسم جامد را مرتعش سازيم (به عنوان مثال با چكش به گوشه يك قطعه سنگ يا فلز بزنيم) تراكم و انبساط به شكل سطوح كروي در تمام جسم مرتعش منتشر مي‌شوند.
مخصوصا نبايد چنان كرد كه انتشار تراكم و انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنيدني است، بلكه هر نوع ارتعاش با هر فركانس ممكن است در آنها انتشار يابد. تنها فرقي كه جامدات و مايعات در انتقال صوت با هوا و گاز دارند در زياد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.

مشاهدات تجربي :

چيزي كه در موقع انتشار صوت در هوا انتقال مي‌يابد، هوا نيست. به دليل اينكه صداي هواپيما از ابر و دود غليظ عبور كرده و به ما مي‌رسد. بدون آنكه ابر را پراكنده ساخته و با خود به طرف ما بياورد.

هوا در حين انتشار صوت جلو و عقب مي‌رود. يعني مرتعش مي‌شود. براي مشاهده اين امر كافي است يك قطعه فيلم عكاسي را بين دو انگشت گرفته و در مقابل آن با آواز بلند بخوانيم، در اينصورت حركت رفت و آمد تند فيلم را به خوبي در محل اتصال انگشتان خود با فيلم حس مي‌نماييم.

عبور فيزيك امواج صوتي در هوا با كم و زياد شدن فشار (انبساط و تراكم) همراه مي‌باشد. در جدار لوله صوتي سوراخي درست كرده و سپس ورقه نازك كاغذي روي آن مي‌چسبانيم و از خارج به اين كاغذ پاندول سبك ساده از چوب آقطي آويزان نموده و لوله را بطور افقي نگاه به بالا و پايين رفتن مي‌كند. اگر تنها هوا حركت مي‌كرد و اختلاف فشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمي‌كرد زيرا حركت ارتعاشي هواي درون لوله موازي با سطح كاغذ بوده و ممكن نبود كه توليد حركت متناوب در ورقه كاغذ بنمايد.

در نتيجه وجود همين انبساط و تراكم ، در فيزيك امواج صوتي ، اختلاف چگالي متناوب پيدا مي شود. زيرا اگر تغيير فشار را در فيزيك امواج صوتي قبول كنيم لازم است كه تغيير چگالي در آنها رانيز قبول كنيم. به كمك چندين پاندول كه در طول لوله صوتي افقي بطريق فوق آويزان كرده‌ايم مي‌توانيم ثابت كنيم كه هنگام ايجاد صوت در لوله ، پاندولي كه نزديكتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهاي ديگر به ارتعاش در مي‌آيد.

پس وقتي قسمتي از هواي درون لوله در داخل آن به سمت انتهاي آن حركت كرده و قسمت ديگري از هواي درون لوله ساكن است، ناچار چگالي قسمتي كه بين اين دو قسمت متحرك و ساكن قرار دارد ، تغيير كرده است. موضوع وجود اختلاف چگالي در هواي مرتعش عملا به تحقيق رسيده است و از تغيير چگالي هوا در موقع ارتعاش كه باعث تغيير ضريب شكست مي‌شود، استفاده كرد. و فيزيك امواج صوتي را به كمك جرقه الكتريكي عكسبرداري نموده‌اند.