دید کلی
- تصور شما از موج صوتی چیست؟
- فکر می کنید که صوت می تواند در خلا منتشر شود؟
- آیا پدیده هایی مانند تداخل ، انعکاس و ... که در مورد صوت چگونه بررسی می گردند؟
- امواج صوتی جزو کدام گروه از امواج عرضی یا طولی است؟
موج صوتی چیست؟
امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این امواج می توانند در جامدات ، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده این امواج ، در راستای انتشار موج نوسان می کنند. امواج مکانیکی طولی در گستره وسیعی از بسامدها به وجود می آیند و در این میان بسامدهای امواج صوتی در محدوده ای قرار گرفته اند که می توانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند. این محدوده تقریبا از 20 هزار هرتز تا حدود 20000 هرتز است و گستره شنیده شدنی نامیده می شود. امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی ، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد ، امواج فروصوتی گویند.
چشمه امواج فروصوتی و فراصوتی
امواج فروصوتی که با آنها سروکار داریم معمولا توسط چشمه های بزرگ تولید می شوند. امواج زمین لرزه ای از آن جمله اند. بسامدهای بالای مربوط به امواج فراصوتی را می توان 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 می توان بسامدهای فراصوتی به بزرگی 6x10
8 هرتز تولید کرد. طول موج متناظر با این بسامد در هوا در حدود 5x10
-5 سانتی متر است که همان حدود طول موج نور مرئی است.
چشمه امواج شنیده شدنی
امواج شنیده شدنی در تارهای مرتعش (بلندگو ، طبل) ایجاد می شوند. همه این عناصر مرتعش به تناوب هوای پیرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت به طرف عقب ، رقیق می کنند. هوا این آشفتگیها را به صورت موج از چشمه به خارج انتقال می دهد. این امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را به وجود می آورند. موجهایی که تقریبا متناوب هستند و یا تعداد کمی از مولفه های تقریبی متناوب را شامل می شوند ، احساس خوشایندی به وجود می آورند (اگر شدت خیلی زیاد نباشد) اصوات موسیقی از این جمله اند. صوتی که شکل موج آن متناوب نباشد ، به صورت نوفه شنیده می شود. نوفه را می توان بر هم نهشی از امواج متناوب دانست که در آن تعداد مولفه ها خیلی زیاد است.
یک آزمایش ساده
دو سر یک سیم فولادی بطول یک متر و به قطر یک میلیمتر را که کشیده شده و به وسیله دو قطعه سنگ یا آهن محکم شده است ، در نظر می گیریم. حال اگر وسط سیم را به کناری کشیده و رها کنیم صدایی شنیده نمی شود ، در صورتی که ارتعاش آن کاملا به چشم دیده می شود. ولی اگر یک طرف سیم را به کنار یک لنگه در تخته ای متصل کنیم و آزمایش را دوباره انجام دهیم ، صدای آن کاملا شنیده می شود ، 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 می شود ، به همان طریق نیز ارتعاشات طولی توام با تراکم و انبساط در داخل مایعات و جامدات انتشار پیدا می کنند. 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 نقطه ای از جسم جامد را مرتعش سازیم (بعنوان مثال با چکش به گوشه یک قطعه سنگ یا فلز بزنیم ) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروی در تمام جسم مرتعش منتشر می شوند. 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 می یابد ، هوا نیست. به دلیل اینکه صدای هواپیما از ابر و دود غلیظ عبور کرده و به ما می رسد. بدون آنکه ابر را پراکنده ساخته و با خود به طرف ما بیاورد.
- هوا در حین انتشار صوت جلو و عقب می رود. یعنی مرتعش می شود. 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 می نماییم.
- عبور امواج صوتی در هوا با کم و زیاد شدن فشار (انبساط و تراکم) همراه می باشد. در جدار لوله صوتی سوراخی درست کرده و سپس ورقه نازک کاغذی روی آن می چسبانیم و از خارج به این کاغذ پاندول سبک ساده از چوب آقطعی آویزان نموده و لوله را بطور افقی نگاه به بالا و پایین رفتن می کند. اگر تنها هوا حرکت می کرد و اختلاف فشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمی کرد 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 امواج صوتی ، اختلاف چگالی متناوب پیدا می شود. زیرا اگر تغییر فشار را در 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 کرده ایم می توانیم ثابت کنیم که هنگام ایجاد صوت در لوله ، پاندولی که نزدیکتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهای دیگر به ارتعاش در می آید. 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 می شود ، استفاده کرد. و امواج صوتی را به کمک جرقه الکتریکی عکسبرداری نموده اند.
مباحث مرتبط با عنوان