موج صوتی یک موج طولی مکانیکی با فرکانس معین است. در این مقاله خواهیم فهمید که امواج طولی و عرضی چیست، چرا هر موج مکانیکی صدا نیست. سرعت موج و فرکانس هایی که صدا در آن ایجاد می شود را بیابید. بیایید دریابیم که آیا صدا در محیط های مختلف یکسان است یا خیر و یاد بگیریم که چگونه سرعت آن را با استفاده از فرمول پیدا کنیم.
موج ظاهر می شود
بیایید یک سطح آب را تصور کنیم، برای مثال یک برکه در هوای آرام. اگر سنگی پرتاب کنید، روی سطح آب دایره هایی را خواهیم دید که از مرکز منحرف می شوند. و اگر نه یک سنگ، بلکه یک توپ را برداریم و آن را به حرکت نوسانی بیاوریم چه اتفاقی می افتد؟ دایره ها دائماً توسط ارتعاشات توپ ایجاد می شوند. تقریباً همان چیزی است که در انیمیشن رایانه ای نشان داده شده است.
اگر شناور را در فاصله ای از توپ پایین بیاوریم، آن نیز نوسان می کند. هنگامی که نوسانات در فضا در طول زمان واگرا می شوند، به این فرآیند موج می گویند.
برای مطالعه خواص صدا (طول موج، سرعت موج و …) اسباب بازی معروف Rainbow یا Happy Rainbow مناسب است.
فنر را دراز کنیم، آرام شود و به شدت بالا و پایینش را تکان دهیم. خواهیم دید که موجی پدیدار شد که در امتداد چشمه جاری شد و سپس به عقب بازگشت. این بدان معنی است که از مانع منعکس می شود. ما مشاهده کردیم که چگونه موج در طول چشمه در طول زمان منتشر شد. ذرات فنر نسبت به تعادل خود بالا و پایین می رفتند و موج به چپ و راست می چرخید. به چنین موجی موج عرضی می گویند. در آن جهت انتشار آن عمود بر جهت نوسان ذرات است. در مورد ما، محیط انتشار موج یک فنر بود.
حالا فنر را دراز کنیم، بگذاریم آرام شود و عقب و جلو بکشیم. خواهیم دید که کلاف های فنر در امتداد آن فشرده شده اند. موج در همان جهت حرکت می کند. در یک مکان فنر فشرده تر است، در جایی دیگر کشش بیشتری دارد. چنین موجی طولی نامیده می شود. جهت نوسان ذرات آن با جهت انتشار منطبق است.
بیایید یک محیط متراکم را تصور کنیم، به عنوان مثال، یک بدن سفت و سخت. اگر با برش آن را تغییر شکل دهیم، موجی ایجاد می شود. به دلیل نیروهای الاستیکی که فقط در جامدات عمل می کنند ظاهر می شود. این نیروها نقش بازیابی و ایجاد موج الاستیک را ایفا می کنند.
شما نمی توانید یک مایع را با برش تغییر شکل دهید. موج عرضی نمی تواند در گازها و مایعات منتشر شود. یک چیز دیگر طولی است: در تمام محیط هایی که نیروهای کشسان عمل می کنند پخش می شود. در یک موج طولی، ذرات به یکدیگر نزدیک می شوند، سپس دور می شوند و خود محیط فشرده و کمیاب می شود.
بسیاری از مردم فکر می کنند که مایعاتتراکم ناپذیر است، اما اینطور نیست. اگر پیستون سرنگ را با آب فشار دهید، کمی جمع می شود. در گازها تغییر شکل فشاری - کششی نیز امکان پذیر است. فشار دادن پیستون یک سرنگ خالی هوا را فشرده می کند.
سرعت و طول موج
برگردیم به انیمیشنی که در ابتدای مقاله در نظر گرفتیم. یک نقطه دلخواه را روی یکی از دایره های واگرا از توپ شرطی انتخاب می کنیم و آن را دنبال می کنیم. نقطه از مرکز دور می شود. سرعتی که با آن حرکت می کند، سرعت تاج موج است. می توان نتیجه گرفت: یکی از ویژگی های موج سرعت موج است.
انیمیشن نشان می دهد که تاج های موج در یک فاصله قرار دارند. این طول موج است - یکی دیگر از ویژگی های آن. هرچه امواج بیشتر باشد، طول آنها کوتاهتر است.
چرا هر موج مکانیکی صدا نیست
یک خط کش آلومینیومی بردارید.
فن‌آور است، بنابراین برای تجربه خوب است. خط کش را روی لبه میز گذاشته و با دست فشار می دهیم تا به شدت بیرون بزند. لبه آن را فشار می دهیم و آن را به شدت رها می کنیم - قسمت آزاد شروع به ارتعاش می کند ، اما صدایی وجود نخواهد داشت. اگر خط کش را فقط کمی گسترش دهید، لرزش لبه کوتاه صدایی ایجاد می کند.
این تجربه چه چیزی را نشان می دهد؟ این نشان می دهد که صدا تنها زمانی رخ می دهد که یک جسم به اندازه کافی سریع حرکت کند، زمانی که سرعت موج در محیط بالا باشد. اجازه دهید یک ویژگی دیگر موج را معرفی کنیم - فرکانس. این مقدار نشان می دهد که بدن در هر ثانیه چند ارتعاش ایجاد می کند. وقتی موجی در هوا ایجاد می کنیم، صدا در شرایط خاصی رخ می دهد - زمانی که کافی باشدفرکانس بالا.
درک این نکته مهم است که صدا یک موج نیست، اگرچه مربوط به امواج مکانیکی است. صدا حسی است که هنگام ورود امواج صوتی (آکوستیک) به گوش ایجاد می شود.
برگردیم به حاکم. وقتی قسمت بزرگتر کشیده می شود، خط کش نوسان می کند و صدایی تولید نمی کند. آیا این موج ایجاد می کند؟ البته، اما این یک موج مکانیکی است، نه یک موج صوتی. اکنون می توانیم موج صوتی را تعریف کنیم. این یک موج مکانیکی طولی است که فرکانس آن در محدوده 20 هرتز تا 20 هزار هرتز است. اگر فرکانس کمتر از 20 هرتز یا بیشتر از 20 کیلوهرتز باشد، ما آن را نمی شنویم، اگرچه ارتعاشات رخ می دهد.
منبع صدا
هر جسم نوسانی می تواند منبع امواج صوتی باشد، فقط به یک محیط کشسان نیاز دارد، مثلاً هوا. نه تنها یک جسم جامد می تواند ارتعاش کند، بلکه یک مایع و یک گاز نیز می تواند ارتعاش کند. هوا به عنوان مخلوطی از چندین گاز نه تنها می تواند یک رسانه انتشار باشد - بلکه خود قادر به ایجاد یک موج صوتی است. این ارتعاشات اوست که زیربنای صدای سازهای بادی است. فلوت یا ترومپت نمی لرزد. این هوا است که کمیاب و فشرده می شود، سرعت خاصی به موج می دهد و در نتیجه ما صدا را می شنویم.
گسترش صدا در محیط های مختلف
ما دریافتیم که مواد مختلف صدا دارند: مایع، جامد، گاز. همین امر در مورد توانایی هدایت یک موج صوتی نیز صدق می کند. صدا در هر محیط کشسانی (مایع، جامد، گاز) به جز در خلاء منتشر می شود. در یک فضای خالی، مثلا در ماه، صدای یک جسم ارتعاشی را نخواهیم شنید.
بیشتر صداهایی که توسط انسان درک می شود در هوا هستند. ماهی ها، چتر دریایی موج صوتی را می شنوند که از طریق آب جدا می شود. ما اگر زیر آب شیرجه بزنیم صدای عبور قایق موتوری را هم می شنویم. علاوه بر این، طول موج و سرعت موج بیشتر از هوا خواهد بود. این بدان معنی است که صدای موتور اولین صدایی است که توسط فردی که در زیر آب غواصی می کند شنیده می شود. ماهیگیر که در قایق خود در همان مکان نشسته است، بعداً صدا را خواهد شنید.
در جامدات، صدا حتی بهتر حرکت می کند و سرعت موج بالاتر است. اگر یک جسم سخت به خصوص فلز را به گوش خود بگذارید و به آن ضربه بزنید، خیلی خوب می شنوید. مثال دیگر صدای خودتان است. وقتی برای اولین بار صحبت خود را می شنویم، که قبلاً در یک ضبط صوت یا از یک ویدیو ضبط شده بود، صدا به نظر بیگانه می رسد. چرا این اتفاق می افتد؟ زیرا در زندگی ما ارتعاشات صوتی را از دهان خود نمی شنویم، بلکه ارتعاشات امواجی را که از استخوان های جمجمه خود عبور می کنند، می شنویم. صدای منعکس شده از این موانع تا حدودی تغییر می کند.
سرعت صدا
سرعت موج صوتی، اگر یک صدا را در نظر بگیریم، در محیط های مختلف متفاوت خواهد بود. هر چه رسانه متراکم تر باشد، صدا سریعتر به گوش ما می رسد. قطار می تواند آنقدر از ما دور شود که هنوز صدای چرخ ها به گوش نمی رسد. با این حال، اگر گوش خود را روی ریل بگذارید، صدای غرش را به وضوح می شنویم.
این نشان می دهد که امواج صوتی در جامدات سریعتر از هوا حرکت می کنند. شکل، سرعت صوت را در محیط های مختلف نشان می دهد.
معادله موج
سرعت، فرکانس و طول موج به هم مرتبط هستند. برای اجسامی که با فرکانس بالا ارتعاش می‌کنند، موج کوتاهتر است. صداهای فرکانس پایین را می توان در فواصل دورتر شنید زیرا طول موج بلندتری دارند. دو معادله موج وجود دارد. آنها وابستگی متقابل ویژگی های موج از یکدیگر را نشان می دهند. با دانستن هر دو کمیت از معادلات، می توانید عدد سوم را محاسبه کنید:
с=ν × λ،
جایی که c سرعت است، ν فرکانس، λ طول موج است.
معادله دوم موج صوتی:
s=λ / T،
جایی که T دوره است، یعنی زمانی که بدن یک نوسان می کند.
