امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج میتوانند در جامدات ، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده این فیزیک امواج ، در راستای انتشار موج نوسان میکنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گستره وسیعی از بسامدها به وجود میآیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواج صوتی در محدودهای قرار گرفتهاند که میتوانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند.
این محدوده تقریبا از ۲۰ هرتز تا حدود ۲۰۰۰۰ هرتزاست و گستره شنیده شدنی نامیده میشود. فیزیک امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی ، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد ، امواج فراصوتی گویند.
تولید صوت :
هر گاه به جسمی ضربه میزنیم لایههای هوا بین دست ما در جسم جابجا میشوند و اگر این جابجاییها بیش از ۱۶ بار در ثانیه باشند، صدا ایجاد میشود. برای اینکه بهتر بتوانیم نقش اندامهای گفتار رادرتولید آواهای زبان فارسی مورد مطالعه قرار دهیم، ابتدا به نظر میرسد لازم است مطالب مختصری درباره چگونگی تولید آوا یا صوت ارائه کنیم.
آوا یا صوت از ارتعاش مولکولهای هوا حاصل میشود. ارتعاش یعنی حرکت مولکولهای هوا از جای خود در مسیر معین و بازگشت آنها به جای اولیه. این پدیده فیزیکی را اصطلاحا موج مینامیم. برای آنکه بتوانیم یک تصویر تقریبی از طرز بوجود آمدن موج صوتی را مجسم کنیم پاندولی را در نظر میگیریم. اگر وزنه پاندول را به یک طرف کشیده آن را رها سازیم، پاندول با سرعت ، به منتهی الیه طرف دیگر رفته دوباره در همان مسیر بجای اول میگردد. این حرکت به دفعات زیاد صورت میگیرد، ولی در هر دفعه خط سیر آن اندکی کوتاهتر میشود تا اینکه وزنه پاندول دوباره به حالت اولیه یعنی سکون در آید.
وزنه پاندول در این حرکت ، لایهای از مولکولهای هوا را با خود به جلو میراند و این عمل موجب میشود که در یک سوی وزنه ، رقت مولکولی در سوی دیگر تراکم مولکولی ایجاد شود. رقت یعنی زیاد شدن فاصله بین مولکولها و تراکم یعنی کم شدن فاصله آنها. اگر با دو دست یک لاستیک را بکشیم طول لاستیک زیاد میشود یا به سخن دیگر ، لاستیک کش می آید.
علت این موضوع آن است که فاصله بین مولکولها در قسمتهای میانی لاستیک زیاد شده و مولکولها بین دو سر لاستیک زیاد شده و مولکولها به طرف دو سر لاستیک کشانده میشوند و در نتیجه فاصله میان مولکولها در دو سر لاستیک کم میشود. بدین ترتیب در قسمت میانی لاستیک رقت مولکولی و در دو سر آن تراکم مولکولی ایجاد میشود. اکنون اگر دو سر لاستیک را رها کنیم مولکولها دوباره به جای اولیه خود بر میگردند.
خاصیت ارتجاعی هوا :
هوا نیز دارای همین خاصیت ارتجاعی است، منتهی به مراتب بیشتر از لاستیک. هر رقت و تراکم مولکولی در هوا موجب رقت و تراکمهای دیگر میگردد. بدین معنی که ، هنگامی که یک لایه از مولکولهای هوا به جلو رانده میشود این لایه به نوبه خود لایه دیگری را به جلو میراند و خود به حال اول بر میگردد. لایه جدیدی نیز لایه دیگری را ، و به همین ترتیب این عمل بارها و بارها تکرار میگردد تا انرژی به پایان برسد. این جابجایی مولکولها اگر بیش از ۱۶مرتبه در ثانیه تکرار گردد صدا بوجود میآید.
اگر کتابی را از ارتفاع معینی به طرف زمین رها کنیم بر اثر سقوط کتاب ، فشار هوای بین کتاب و زمین زیاد میشود و این فشار ، مولکولهای هوا را به اطراف میراند. مولکولهای رانده شده به نوبت مولکولهای مجاور خود را به جلو رانده و خود به حالت اول بر میگردند. این عمل آنقدر تکرار میشود تا انرژی حاصل از سقوط کتاب به پایان برسد. هنگام تماس کتاب با زمین صدایی به گوش میرسد، در صورتی که در اثنای سقوط آن صدایی شنیده نمیشود.
علت این است که هنگام تماس کتاب با زمین ، بر اثر زیاد بودن مقدار انرژی جابجا شدن مولکولها یا همان رقت و تراکم هوا خیلی بیشتر از ۱۶ مرتبه در ثاینه است و به این علت صدای حاصله قابل شنیدن میباشد. هر رقت و تراکم یک سیکل نام دارد و تعداد سیکل در ثانیه تواتر یا بسامد نامیده میشود. بنابراین ، وقتی میگوییم فرکانس (تواتر) موج مثلا ۵۰۰ سیکل است، یعنی ۵۰۰ مرتبه رقت و تراکم در مولکولهای هوا ایجاد شده است. هر قدر بسامد بیشتر باشد صدا به اصطلاح زیرتر است و نیز قدر بسامد کمتر باشد صدا اصطلاحا بمتر است.
چشمه فیزیک امواج فروصوتی و فراصوتی :
فیزیک امواج فروصوتی که با آنها سروکار داریم معمولا توسط چشمههای بزرگ تولید میشوند. امواج زمین لرزهای از آن جملهاند. بسامدهای بالای مربوط به فیزیک امواج فراصوتی را میتوان به وسیله ارتعاشات کشسان یک بلور کوارتز که بر اثر تشدید با یک میدان الکتریکی متناوب در بلور القا شده است ، ایجاد کرد. به این طریق میتوان بسامدهای فراصوتی به بزرگی ۶×۱۰۸ هرتز تولید کرد. طول موج متناظر با این بسامد در هوا در حدود ۵×۱۰۵ سانتیمتر است که همان حدود طول موج نور مرئی است.
مشخصات فیزیکی :
جابجایی یا ارتعاش مولکولهای هوا در تمام جهات صورت میگیرد و بسته به مقدار انرژی موجود ، هر لایه از مولکولها مسافتی را طی میکنند. به سخن دیگر هر چه انری بیشتر باشد مسافتی را که موج میپیماید بیشتر است. طول مسافتی را که هر طبقه از مولکولهای هوا طی نموده و دوباره به جای اولیه خود بر میگردد دامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زیادتر باشد صدا بلندتر است. بلندی صدا را با زیر و بمی آن نباید اشتباه کرد، زیرا بلندی صدا مربوط به تعداد ارتعاش در ثانیه است.
بنابراین صدای ممکن است بم ولی بلند باشد. بالعکس صدای دیگری ممکن است زیر ولی کوتاه باشد. اگر امواج صوتی در مسیر حرکت خود به جسمی از قبیل پرده گوش برخورد کنند و آن را به همان اندازه مرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسیله اندامهای گوش داخلی به مراکز اعصاب شنوایی منتقل گشته و در نتیجه صدا شنیده میشود و عکس العمل لازم صادر میشود.
چشمه فیزیک امواج شنیده شدنی :
فیزیک امواج شنیده شدنی در تارهای مرتعش (بلندگو ، طبل) ایجاد میشوند. همه این عناصر مرتعش به تناوب هوای پیرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت به طرف عقب ، رقیق میکنند. هوا این آشفتگیها را بصورت موج از چشمه به خارج انتقال میدهد. این فیزیک امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را بوجود میآورند. موجهایی که تقریبا متناوب هستند و یا تعداد کمی از مؤلفههای تقریبی متناوب را شامل میشوند، احساس خوشایندی بوجود میآورند (اگر شدت خیلی زیاد نباشد) اصوات موسیقی از این جملهاند. صوتی که شکل موج آن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنیده می شود. نوفه را میتوان برهمنهشی از امواج متناوب دانست که در آن تعداد مؤلفهها خیلی زیاد است.
یک آزمایش ساده :
دو سر یک سیم فولادی به طول یک متر و به قطر یک میلیمتر را که کشیده شده و بوسیله دو قطعه سنگ یا آهن محکم شده است ، در نظر میگیریم. حال اگر وسط سیم را به کناری کشیده و رها کنیم صدایی شنیده نمیشود، در صورتی که ارتعاش آن کاملا به چشم دیده میشود. ولی اگر یک طرف سیم را به کنار یک لنگه در تختهای متصل کنیم و آزمایش را دوباره انجام دهیم، صدای آن کاملا شنیده میشود، با وجود آنکه ارتعاش آن مشهود نیست. علت این امر آن است که در دفعه اول هوای مجاور سیم بجای اینکه تراکم و انبساط پیدا کند، روی سیم لغزیده است و در مرتبه دوم هوای مجاور لنگه در ، مجال لغزیدن و رسیدن به کنار آن را قبل از تجدید ارتعاش نداشته است.
امواج صوتی در جامدات و مایعات :
همانطور که درون هوا ارتعاشات طولی توام با تراکم و انبساط منتشر میشود، به همان طریق نیز ارتعاشات طولی توأم با تراکم و انبساط در داخل مایعات و جامدات انتشار پیدا میکنند. اگر میله فلزی را برای لحظه کوتاهی در امتداد خودش کشیده و رها کنیم ، تراکم و انبساط در طول میله انتشار پیدا خواهد کرد و همین طور اگر نقطهای از جسم جامد را مرتعش سازیم (به عنوان مثال با چکش به گوشه یک قطعه سنگ یا فلز بزنیم) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروی در تمام جسم مرتعش منتشر میشوند.
مخصوصا نباید چنان کرد که انتشار تراکم و انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنیدنی است، بلکه هر نوع ارتعاش با هر فرکانس ممکن است در آنها انتشار یابد. تنها فرقی که جامدات و مایعات در انتقال صوت با هوا و گاز دارند در زیاد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.
مشاهدات تجربی :
چیزی که در موقع انتشار صوت در هوا انتقال مییابد، هوا نیست. به دلیل اینکه صدای هواپیما از ابر و دود غلیظ عبور کرده و به ما میرسد. بدون آنکه ابر را پراکنده ساخته و با خود به طرف ما بیاورد.
هوا در حین انتشار صوت جلو و عقب میرود. یعنی مرتعش میشود. برای مشاهده این امر کافی است یک قطعه فیلم عکاسی را بین دو انگشت گرفته و در مقابل آن با آواز بلند بخوانیم، در اینصورت حرکت رفت و آمد تند فیلم را به خوبی در محل اتصال انگشتان خود با فیلم حس مینماییم.
عبور فیزیک امواج صوتی در هوا با کم و زیاد شدن فشار (انبساط و تراکم) همراه میباشد. در جدار لوله صوتی سوراخی درست کرده و سپس ورقه نازک کاغذی روی آن میچسبانیم و از خارج به این کاغذ پاندول سبک ساده از چوب آقطی آویزان نموده و لوله را بطور افقی نگاه به بالا و پایین رفتن میکند. اگر تنها هوا حرکت میکرد و اختلاف فشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمیکرد زیرا حرکت ارتعاشی هوای درون لوله موازی با سطح کاغذ بوده و ممکن نبود که تولید حرکت متناوب در ورقه کاغذ بنماید.
در نتیجه وجود همین انبساط و تراکم ، در فیزیک امواج صوتی ، اختلاف چگالی متناوب پیدا می شود. زیرا اگر تغییر فشار را در فیزیک امواج صوتی قبول کنیم لازم است که تغییر چگالی در آنها رانیز قبول کنیم. به کمک چندین پاندول که در طول لوله صوتی افقی بطریق فوق آویزان کردهایم میتوانیم ثابت کنیم که هنگام ایجاد صوت در لوله ، پاندولی که نزدیکتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهای دیگر به ارتعاش در میآید.
پس وقتی قسمتی از هوای درون لوله در داخل آن به سمت انتهای آن حرکت کرده و قسمت دیگری از هوای درون لوله ساکن است، ناچار چگالی قسمتی که بین این دو قسمت متحرک و ساکن قرار دارد ، تغییر کرده است. موضوع وجود اختلاف چگالی در هوای مرتعش عملا به تحقیق رسیده است و از تغییر چگالی هوا در موقع ارتعاش که باعث تغییر ضریب شکست میشود، استفاده کرد. و فیزیک امواج صوتی را به کمک جرقه الکتریکی عکسبرداری نمودهاند.
یکی از مهم ترین موج هایی که ما با آن سر و کار داریم موج صوتی است. موج صوتی از موج های مکانیکی طولی است که توسط منبع صوتی ایجاد می شود و به صورت تراکم و انبساط در محیط اطراف منتشر می شود.
وقتی یک شاخه ی دیاپازون را مرتعش می کنیم، لایه ی هوای مجاور شاخه دیاپازون متراکم شده و چگالی و فشار آن نسبت به حالت تعادل افزایش می یابد. به این ترتیب یک تپ تراکمی (پرفشار) ایجاد شده در هوا منتشر می شود. هنگامی که شاخه دیاپازون برمی گردد، لایه ی هوای مجاور آن منبسط می شود و چگالی و فشار آن نسبت به حالت تعادل کاهش می یابد. به این ترتیب یک تپ انبساطی (کم فشار) ایجاد شده و در هوا منتشر می شود. بنابراین هنگامی که دیاپازون مرتعش می شود تپ های متوالی تراکمی و انبساطی در هوا منتشر می کند.
در انتشار صوت ذره های هوا منتقل نمی شوند بلکه حول نقطه ی تعادل خود نوسان می کنند. چون در انتشار صوت ذره های هوا در راستای انتشار نوسان می کنند. این موج طولی هستند.
هر جسم مرتعش در هوا، خود یک چشمه ی تولید موج های صوتی است.
هنگامی که یک چشمه ی صوت مرتعش می شود، صوت ایجاد شده در تمام جهت ها منتشر می شود. جبهه های موج های صوتی به صورت سطح های کروی هستند که چشمه ی صوت در مرکز آنها قرار دارد.
موج صوتی برای منتشرشدن به محیط مادی نیاز دارد. سرعت صوت به ویژگی های فیزیکی محیطی که صوت در آن منتشر می شود بستگی دارد. هر چه ماده متراکم تر باشد، سرعت انتشار صوت در آن بیشتر است، زیرا در ماده ی متراکم مولکول ها به یکدیگر نزدیکترند و تپ ایجاد شده سریعتر منتقل می شود. پس سرعت انتشار صوت در جامدها بیشتر از مایع هاَ، و در مایع ها بیشتراز گازها می باشد.
