موج صوتی: فرمول، خواص. منابع امواج صوتی

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

موج صوتی فرآیند موجی است که در محیط‌های گازی، مایع و جامد اتفاق می‌افتد و وقتی به اندام‌های شنوایی انسان می‌رسد، توسط آنها به عنوان صدا درک می‌شود. فرکانس این امواج در محدوده 20 تا 20000 نوسان در ثانیه قرار دارد. ما فرمول هایی را برای یک موج صوتی ارائه می دهیم و ویژگی های آن را با جزئیات بیشتری در نظر می گیریم.

چرا موج صوتی وجود دارد؟

بسیاری از مردم تعجب می کنند که موج صوتی چیست. ماهیت صدا در وقوع اغتشاش در یک محیط الاستیک نهفته است. به عنوان مثال، هنگامی که یک اغتشاش فشار به شکل فشرده سازی در حجم معینی از هوا رخ می دهد، این ناحیه تمایل به گسترش در فضا دارد. این فرآیند منجر به فشرده سازی هوا در مناطق مجاور منبع می شود که تمایل به انبساط نیز دارند. این فرآیند بیشتر و بیشتر از فضا را تا زمانی که به گیرنده ای مانند گوش انسان برسد، پوشش می دهد.

ویژگی های کلی امواج صوتی

بیایید در نظر بگیریم که موج صوتی چیست و چگونه توسط گوش انسان درک می شود. موج صوتیطولی است، هنگامی که وارد پوسته گوش می شود باعث ایجاد ارتعاشات پرده گوش با فرکانس و دامنه معین می شود. شما همچنین می توانید این نوسانات را به صورت تغییرات دوره ای در فشار در ریزحجم هوای مجاور غشاء نشان دهید. ابتدا نسبت به فشار معمولی اتمسفر افزایش می یابد و سپس با رعایت قوانین ریاضی حرکت هارمونیک کاهش می یابد. دامنه تغییرات در فشردگی هوا، یعنی تفاوت بین حداکثر یا حداقل فشار ایجاد شده توسط یک موج صوتی، با فشار اتمسفر، متناسب با دامنه خود موج صوتی است.

بسیاری از آزمایش‌های فیزیکی نشان داده‌اند که حداکثر فشاری که گوش انسان می‌تواند بدون آسیب رساندن به آن درک کند 2800 µN/cm² است. برای مقایسه، فرض کنید فشار اتمسفر نزدیک به سطح زمین 10 میلیون میکرونیوتن بر سانتی‌متر است^{2. با توجه به تناسب فشار و دامنه نوسان، می توان گفت که مقدار دوم حتی برای قوی ترین امواج ناچیز است. اگر در مورد طول موج صوتی صحبت کنیم، برای فرکانس 1000 ارتعاش در ثانیه، یک هزارم سانتی متر خواهد بود.}

ضعیف ترین صداها نوسانات فشاری در مرتبه 0.001µN/cm ایجاد می کنند²، دامنه نوسان موج متناظر برای فرکانس ۱۰۰۰ هرتز ۱۰ ^{است. 9}سانتی متر، در حالی که قطر متوسط مولکول های هوا 10^{-8 سانتی متر است، یعنی گوش انسان عضوی بسیار حساس است.}

مفهوم شدت امواج صوتی

با هندسیاز نظر موج صوتی، ارتعاشی به شکل خاصی است، از نظر فیزیکی، ویژگی اصلی امواج صوتی توانایی آنها در انتقال انرژی است. مهمترین مثال انتقال انرژی امواج خورشید است که امواج الکترومغناطیسی تابیده شده آن انرژی کل سیاره ما را تامین می کند.

شدت یک موج صوتی در فیزیک به عنوان مقدار انرژی حمل شده توسط یک موج از یک واحد سطح، که عمود بر انتشار موج و در واحد زمان است، تعریف می شود. به طور خلاصه، شدت یک موج، قدرت آن است که از طریق واحد سطح منتقل می شود.

قدرت امواج صوتی معمولاً در دسی بل اندازه گیری می شود که بر اساس مقیاس لگاریتمی است که برای تجزیه و تحلیل عملی نتایج مناسب است.

شدت صداهای مختلف

مقیاس دسی بل زیر مفهومی از شدت صداهای مختلف و احساسات ناشی از آن را نشان می دهد:

آستانهبرای احساسات ناخوشایند و ناراحت کننده از 120 دسی بل (dB) شروع می شود؛
چکش پرچین نویز 95 دسی بل تولید می کند؛
قطار پرسرعت - 90 دسی بل؛
خیابان ترافیک - 70 دسی بل؛
حجم مکالمه معمولی بین افراد 65 دسی بل است؛
ماشین مدرن که با سرعت متوسط حرکت می کند صدای 50 دسی بل تولید می کند؛
صدای متوسط رادیو - 40 دسی بل؛
مکالمه آرام - 20 دسی بل؛
صدای شاخ و برگ درخت - 10 دسی بل؛
حداقل آستانه حساسیت صدای انسان نزدیک به 0 دسی بل است.

حساسیت گوش انسان به این بستگی داردفرکانس صدا و حداکثر مقدار برای امواج صوتی با فرکانس 2000-3000 هرتز است. برای صدایی در این محدوده فرکانس، آستانه پایین‌تر حساسیت انسان 10-5 دسی بل است. فرکانس‌های بالاتر و پایین‌تر از بازه مشخص‌شده منجر به افزایش آستانه حساسیت پایین‌تر می‌شود، به‌گونه‌ای که فرد فرکانس‌های نزدیک به ۲۰ هرتز و ۲۰ هزار هرتز را تنها با شدت چند ده دسی بل می‌شنود.

در مورد آستانه بالایی شدت که پس از آن صدا شروع به ایجاد ناراحتی و حتی درد برای فرد می کند، باید گفت که عملاً به فرکانس بستگی ندارد و در محدوده 110-130 دسی بل قرار دارد..

ویژگی های هندسی موج صوتی

یک موج صوتی واقعی یک بسته نوسانی پیچیده از امواج طولی است که می تواند به ارتعاشات هارمونیک ساده تجزیه شود. هر یک از این نوسانات از دیدگاه هندسی با ویژگی های زیر توصیف می شود:

دامنه - حداکثر انحراف هر بخش از موج از تعادل. برای این مقدار، نام A.
پریود. این مدت زمانی است که یک موج ساده طول می کشد تا نوسان کامل خود را کامل کند. پس از این مدت، هر نقطه از موج شروع به تکرار فرآیند نوسانی خود می کند. نقطه معمولاً با حرف T نشان داده می شود و در سیستم SI بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود.
فرکانس. این یک کمیت فیزیکی است که نشان می دهد یک موج معین در هر ثانیه چند نوسان ایجاد می کند. یعنی به معنای آن مقدار معکوس دوره است.با حرف لاتین f نشان داده می شود. برای فرکانس یک موج صوتی، فرمول تعیین آن در یک نقطه به شرح زیر است: f=1/T.
طول یک موج مسافتی است که در یک دوره نوسان طی می کند. از نظر هندسی، طول موج فاصله بین دو نزدیکترین ماکزیمم یا دو نزدیکترین حداقل در یک منحنی سینوسی است. طول نوسان یک موج صوتی، فاصله بین نزدیکترین نواحی فشرده سازی هوا یا نزدیکترین مکانهای نادر بودن آن در فضایی است که موج حرکت می کند. معمولاً با حرف یونانی λ. نشان داده می شود.
سرعت انتشار موج صوتی مسافتی است که ناحیه فشرده سازی یا ناحیه نادر موج در واحد زمان منتشر می شود. این مقدار با حرف v نشان داده می شود. برای سرعت موج صوتی، فرمول این است: v=λf.

هندسه یک موج صوتی خالص، یعنی موجی با خلوص ثابت، از قانون سینوسی تبعیت می کند. در حالت کلی، فرمول یک موج صوتی این است: y=Asin(ωt)، که y مقدار مختصات یک نقطه معین از موج است، t زمان، ω=2pif است. فرکانس نوسان چرخه ای.

صدای پریودیک

بسیاری از منابع صوتی را می توان دوره ای در نظر گرفت، به عنوان مثال، صدای آلات موسیقی مانند گیتار، پیانو، فلوت، اما تعداد زیادی صدا در طبیعت وجود دارد که غیرپریودیک هستند، یعنی ارتعاشات صدا تغییر می کند. فرکانس و شکل آنها در فضا. از نظر فنی به این نوع صدا نویز می گویند. روشننمونه‌هایی از صدای غیرپریودیک عبارتند از نویز شهری، صدای دریا، صداهای سازهای کوبه‌ای، مانند طبل، و غیره.

محیط انتشار صدا

برخلاف تشعشعات الکترومغناطیسی که فوتون های آن برای انتشار خود نیازی به محیط مادی ندارند، ماهیت صوت به گونه ای است که برای انتشار آن به محیط خاصی نیاز است، یعنی طبق قوانین فیزیک، امواج صوتی نمی توانند در خلاء انتشار دهید.

صوت می تواند از میان گازها، مایعات و جامدات عبور کند. ویژگی های اصلی یک موج صوتی که در یک رسانه منتشر می شود به شرح زیر است:

موج به صورت خطی منتشر می شود؛
به طور مساوی در همه جهات در یک محیط همگن پخش می شود، یعنی صدا از منبع منحرف می شود و یک سطح کروی کامل را تشکیل می دهد.
بدون توجه به دامنه و فرکانس صوت، امواج آن در یک محیط معین با سرعت یکسان منتشر می شوند.

سرعت امواج صوتی در رسانه های مختلف

سرعت انتشار صوت به دو عامل اصلی بستگی دارد: محیطی که موج در آن حرکت می کند و دما. به طور کلی، قانون زیر اعمال می شود: هر چه محیط متراکم تر باشد و دمای آن بالاتر باشد، صدا در آن سریعتر حرکت می کند.

مثلاً سرعت انتشار موج صوتی در هوای نزدیک سطح زمین در دمای 20 درجه سانتیگراد و رطوبت 50 درصد 1235 کیلومتر در ساعت یا 343 متر بر ثانیه است. در آب با دمای معین، صدا 4.5 برابر سریعتر حرکت می کندحدود 5735 کیلومتر در ساعت یا 1600 متر بر ثانیه وجود دارد. در مورد وابستگی سرعت صوت به دمای هوا، با افزایش دما به ازای هر درجه سانتیگراد، 0.6 متر در ثانیه افزایش می یابد.

تیمبر و لحن

اگر به سیم یا صفحه فلزی اجازه داده شود آزادانه ارتعاش کند، صداهایی با فرکانس های مختلف تولید می کند. بسیار نادر است که جسمی را پیدا کنید که صدایی با یک فرکانس خاص منتشر کند، معمولاً صدای یک جسم دارای مجموعه ای از فرکانس ها در یک بازه زمانی خاص است.

تیمبر یک صدا با تعداد هارمونیک های موجود در آن و شدت های مربوط به آنها تعیین می شود. تمبر یک ارزش ذهنی است، یعنی درک یک شیء صدادار توسط یک شخص خاص. Timbre معمولاً با صفت های زیر مشخص می شود: بلند، درخشان، صدادار، ملودیک و غیره.

Tone یک حس صوتی است که به آن اجازه می دهد به عنوان بالا یا پایین طبقه بندی شود. این مقدار نیز ذهنی است و با هیچ ابزاری قابل اندازه گیری نیست. تن با یک کمیت عینی مرتبط است - فرکانس یک موج صوتی، اما هیچ رابطه واضحی بین آنها وجود ندارد. به عنوان مثال، برای یک صدای تک فرکانس با شدت ثابت، با افزایش فرکانس، صدا افزایش می یابد. اگر فرکانس صدا ثابت بماند، اما شدت آن افزایش یابد، تن کمتر می شود.

شکل منابع صوتی

با توجه به شکل بدنی که به صورت مکانیکی ارتعاش می کند و در نتیجه صدا تولید می کند، سه نوع منبع اصلی امواج صوتی وجود دارد:

منبع نقطه ای. امواج صوتی را تولید می کند که شکل کروی دارند و با فاصله از منبع به سرعت تحلیل می روند (تقریباً 6 دسی بل اگر فاصله از منبع دو برابر شود).
منبع خط. امواج استوانه‌ای ایجاد می‌کند که شدت آن‌ها کندتر از یک منبع نقطه‌ای کاهش می‌یابد (به ازای هر دو برابر شدن فاصله از منبع، شدت آن 3 دسی‌بل کاهش می‌یابد).
یک منبع مسطح یا دو بعدی. امواج را فقط در جهت خاصی تولید می کند. نمونه ای از چنین منبعی می تواند پیستونی باشد که در یک سیلندر حرکت می کند.

منابع صوتی الکترونیک

برای ایجاد موج صوتی، منابع الکترونیکی از غشای مخصوص (بلندگو) استفاده می کنند که به دلیل پدیده القای الکترومغناطیسی، ارتعاشات مکانیکی را انجام می دهد. این منابع شامل موارد زیر است: