صوت و امواج صوتی
ریشه لغوی:
صوت ریشه در کلمه یونانی فون به معنی ارتعاش دارد .
تئوری و نحوه تولید :
وقتی کسی صحبت می کند هوای داخل ششها از میان دو پرده نازک در نای به تمام تارهای صوتی عبور می کند این دو پرده نازک که مرتعش شده و هوا را جبهه جبهه ( کپه کپه ) به بیرون می فرستد. در هر ثانیه صدها و گاهی اوقات هزاران جبهه هوا ساخته می شود بطوریکه هوا بین گلو و دهان با مکانیزم لوله ها ی صوتی مرتعش می شود این ارتعش تحت تاثیر چگونگی قرار گرفتن زبان ـ دندانها ـ لب و سایر عوامل قرارمی گیرد .این هوای مرتعش باعث تغییرات جزئی در اطراف شخص صحبت کننده می شود که به آن صوت می گوییم .
آزمایش ساده :
یک پر خیلی کوچک را با نخ ابریشمی آویزان کنید و در مقابل دهان خود قراردهید دقت کنید که در موقع صحبت چگونه پر هماهنگ با کلمات مخصوصاً برای کلماتی با تغییرات آوایی بیشتر مانند ‹‹پوپک›› حرکت می کنند .
البته برای تغییرات فشاری بزرک حرکت می کند اغلب تغییرات چنان سریع و پیچیده هستند که پر نمی تواند هماهنگ با آن حرکت نماید .
تعمیم پدیده :
بهترین روش نمایش ارتعاشات با تغییرات سریع استفاده از دستگاه ‹‹ نوسان نما ›› یا اسیلوسکوپ که شبیه یک تلویزیون هست ، می باشد .
آناتومی گوش :
در داخل گوش انسان پرده گوش قراردارد که شبیه یک پوسته پهن در سطح گوش هست این پرده هماهنگ با تغییرات سریع فشار داخل هوا که صوت نام دارد نوسان می کند و یک اندام پیچیده شنوایی در پشت پرده گوشی پیام را به مغز می رساند . و در آنجا تغییر فشار به توسط پرده گوش با انتقال به مغز و تبدیل آن به پالس های الکتریکی در مغز مورد ترجمه و استفاده قرارمی گیرد .
ماورای صوت و رفتار آن
صوت چیست؟
صوت یک ارتعاش مکانیکی است و هنگامی تولید می شود که یک ماده قابل ارتعاش مرتعش شود. در آزمایشهای روزانه بارها دیده اید که اگر بر کاسه زنگی ضربه ای بزنید مرتعش می شود و صدایی می شنوید و یا اتومبیلی که از خیابان می گذرد ممکن است شیشه های ساختمان مجاور خیابان را به ارتعاش در آورد و صدایی تولید شود. چنانچه با انگشت شیشه لرزان را لمس کنید حرکت آن را احساس خواهید کرد و در صورت توقف حرکت شیشه صدای آن نیز قطع می گردد.
آزمایش ساده
یک رشته نخ یا سیم به طول 20 تا 30 متر را انتخاب کنید و آن را بین دو نقطه ببندید، بطوری که به خوبی کشیده شود و در امتداد خط مستقیم قرار گیرد. اگر با انگشت وسط نخ یا سیم را به یک طرف بکشید و آن را رها کنید، می بینید که سیم با سرعت به ارتعاش در می آید و صدایی خواهید شنید.
ضمنا در این آزمایش متوجه می شوید که هر اندازه دامنه نوسان نقاط سیم کمتر می شود صوت نیز ضعیفتر می گردد. در این آزمایش اگر نخ را بیشتر بکشیم و یا آنکه با یک نیروی کشش معین طول آن را کوتاهتر کنیم، نخ سریعتر ارتعاش می کند و صوت حاصل از آن زیرتر خواهد شد.
صدا چگونه منتشر می شود؟
هنگامی که یک منبع تولید صوت مثلا یک سیم و یا یک دیاپازون به ارتعاش در می آید، مقداری انرژی به صورت موج در هوا منتشر می کند و این موج سبب می شود که قسمتهایی از هوای محیط بطور تناوبی متراکم و منبسط شود و این حالت تراکم و انبساط به اطراف منتقل شود.
باید توجه داشت که هر محیطی که قابلیت تراکم و انبساط داشته باشد، می تواند صوت را منتشر کند و چون جامدات و مایعات نیز این خاصیت را دارند از اینرو صوت در جامدات و مایعات نیز منتشر می شود (انتشار صوت). در ارتعاشات صوتی هر ذره هوا فقط در جای خود به نوسان در می آید و انرژی صوتی را انتقال می دهد و چنانچه گوش انسان و یا حیوان در مسیر انتشار انرژی که به صورت انتقال تراکم و انبساط هواست، قرار گیرد،
صدا را احساس می کند.
امواج مافوق صوت چیست؟
* گوش انسان امواجی را می تواند بشنود که فرکانس آنها بین 20 تا 20000 هرتز ارتعاش در ثانیه باشد. این محدوده را امواج صوتی گویند.
* امواجی که فرکانس آنها کمتر از 20 هرتز باشد، امواج مادون صوت نام دارند.
* امواجی که فرکانس آنها بین 2×104 تا 1013 هرتز باشد امواج هیپرسون نامگذاری شده اند.
ماهیت امواج ماورای صوت و امواج صوتی و چگونگی تولید و انتشار آنها یکسان است، با این تفاو ت که این امواج بر روی گوش انسان اثر ندارد. باید توجه داشت که محدوده امواج صوتی برای حیوانات مختلف متفاوت است. برای نمونه سگ ارتعاشات تا 40000 هرتز را می شنود و ارتعاشات تا 80000 هرتز بر گوش خفاش اثر می کند. و بعضی از حشرات ارتعاشهایی تا 175000 هرتز را می شنوند و می توانند خود نیز تولید کنند و باهم ارتباط یابند.
چرا انسان ماورای صوت را نمی شنود؟
در ساختمان گوش ، اصوات مایع درون حلزونی گوش را به ارتعاش در می آورد و این ارتعاش در اثر پدیده ای که به نام تشدید صوت موسوم است، می تواند فقط تارهای مشخصی را به ارتعاش در آورد. هر اندازه صوت زیرتر یعنی فرکانس آن بیشتر باشد تارهایی را که کوتاهتر است به ارتعاش در می آورد. اما طول این تارها از حد مشخصی کمتر نیست. از اینرو صداهایی که فرکانس آنها از حد مشخصی بیشتر نباشد شنیده می شوند.
چون ماورای صوت ارتعاشاتی هستند که فرکانسشان از 20000 هرتز بیشتر است، بنابراین شنیده نمی شوند. ضمنا در اثر بالا رفتن سن یا مصرف بعضی داروها تارهای شنوایی سنگینتر و محکمتر می شوند و ارتعاشاتی شنیده می شوند که فرکانس آنها کم باشد.
سیر تحولی و رشد
* نظر به اینکه در موقع انتقال صوت ، آزمایشهای مربوط به هوا حرکت نمی کند، تعجب آور نیست اگر بگوییم که فلاسفه دیگر معاصر ارسطو این عقیده او را تکذیب نمودند و به همین طریق در دوره گالیله ـ فیلسوف فرانسوی موسوم به کاساندی (1655 ـ 1592) جریانی از اجزاء کوچک غیر مرئی بسیار ریز می دانست که از جسم صدا دار برخاسته و پس از عبور آزمایشهای مربوط به هوا به گوش رسیده و آنرا متاثر می سازد.
* اتوفن گریکه (1686 ـ 1602) موضوع اینکه انتقال صوت بواسطه حرکت آزمایشهای مربوط به هوا می باشد، با شک زیاد تلقی کرده و می گوید: "صدا در محیط آرام یعنی وقتی آزمایشهای مربوط به هوا بدون حرکت می باشد، بهتر انتقال پیدا می نماید." به علاوه در اواسط قرن 17 تجربه به صدا در آوردن زنگ در زیر سرپوش خالی از آزمایشهای مربوط به هوا را تکرار کرده و ادعا نمود که با وجود این صدای زنگ را می شنود.
* دانشمندان انتشار صوت در جامدات و شاره ها را بررسی کرده و به نتایجی بهتر رسیده اند که کاربردهای آن را در علوم و فنون بیان کرده و امروزه نسبت به کشفیات خود در مورد کاربردی کردن انتشار صوت در کارهای نظامی و غیر نظامی می پردازند. البته این موضوع با علم جدید ژئوفیزیک (امواج زلزله Seismological wave) آشکار می شود.
انتشار صوت در خلا
صدا در محیط آرام یعنی وقتی محیط بدون حرکت می باشد، بهتر انتقال پیدا می کند. در سال 1660 رابرت بویل در انگلستان تجربه به صدا درآوردن زنگ زیر سرپوش را مجددا با احتیاط کامل و بـا تـلمبه تخلیه قویتر به عمل آورد و آنچه را که امروز مسلم و معلوم است، (یعنی اینکه شدت صوت زنگ به نسبت عکس غلظت هوای درون سرپوش کم می شود) روشن و واضح ساخت. او بطور قطع و مسلم گفت که آزمایشهای مربوط به هوا محیطی است که صوت را انتقال می دهد و این خاصیت هم منحصر به آزمایشهای مربوط به هوا نمی باشد.
سرعت انتشار صوت
در سال 1635 گاساندی در پاریس سرعت صوت را اندازه گرفت و برای اینکار از اسلحه های باروتی استفاده نموده ، سرعت مسیر برق انفجار را مساوی بینهایت فرض کرد. عددی که برای سرعت صوت پیدا کرد 1673 فوت پاریسی در ثانیه بود. فوت پاریسی تقریبا معادل با 32.482 سانتیمتر بوده است.
سرعت انتشار صوت در آزمایشهای مربوط به هوا
ظاهرا اولین تجربه اندازه گیری سرعت صوت در هوای آزاد که شامل دقتهای لازم علمی و جدید بود زیر نظر آکادمی علوم پاریس در سال 1738 انجام شده و در آن تجربه توپ بکار رفته است. از اعدادی که در این تجربه بدست آمده سرعت صوت در صفر درجه سانتیگراد برابر 332 متر بر ثانیه می گردد. تجربه های مکرر دقیقی که در بقیه قرن هجدهم و در نیمه اول قرن نوزدهم از این اندازه گیری به عمل آمد، نتایجی داد که با نتیجه فوق در حدود متر بر ثانیه اختلاف داشت. بهترین و جدیدترین عددی که برای سرعت صوت در هوای آرام و در تحت شرایط معمولی (صفر درجه سانتیگراد و فشار 76 |سانتیمتر جیوه) بدست آمده 331 + 0.08 می باشد.
سرعت انتشار صوت در جامدات
درسال 1808 فیزیکدان فرانسوی بیو اولین تجربیات را برای اندازه گیری سرعت صوت در جامدات به عمل آورد و برای اینکار از یک لوله طویل آهن به طول تقریبا یکهزار متر که برای لوله کشی نصب کرده بودند، استفاده نمود. با مقایسه دو صدایی که از هر طریق ، هوای درون لوله و خود لوله آهنی می رسد، معلوم شد که سرعت انتشار موج متراکم درون آهن به مراتب بیشتر از سرعت صوت درون هواست.
سرعت انتشار صوت در مایعات
در سال 1826 میلادی کلادن و شتورن ریاضیدان ، انتقال صوت را در آب دریاچه ژنو واقع در سوئیس مطالعه نمودند و با استفاده از برق انفجار و صدایی که در زیر آب روانه می ساختند، عدد 1435 را برای سرعت انتشار صوت در آب در 8 درجه سانتیگراد بدست آوردند.
انتشار امواج صوتی
اگر بطور همزمان در نقطه ای از محیط ، ارتعاشی ایجاد شود آن ارتعاش تدریجا با سرعت ثابت به تمام اطراف آن نقطه انتقال پیدا می کند. در این حالت می گویند ارتعاش در محیط مذکور انتشار پیدا کرده است. اگر مسیر ارتعاش بر راستای انتشار عمود باشد، در این صورت موج را موج عرضی می گویند. اما اگر راستای انتشار و ارتعاش باهم موازی باشند، در این صورت موج را موج طولی می گویند. اما امواج صوتی جزء امواج طولی هستند.
10