الصوت: تعريفه وأنواعه وخصائصه وتردداته

الصوت في كل مكان حولنا. نستخدم إحساسنا بالصوت للتنقل في بيئتنا والتواصل والاستمتاع بالموسيقى. لكن ما هو الصوت؟ كيف يتم صنعه وكيف ينتقل من مكان إلى آخر؟

الصوت هو نوع من الموجات الميكانيكية أو تذبذب المادة. الموجة هي اضطراب ينتقل من مكان إلى آخر في وسط. المفتاح هنا هو أن النقاط في الوسط تتأرجح في مكانها أثناء انتقال الاضطراب نفسه.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك موجة قام بها جمهور في لعبة كرة. المشجعين في مقاعدهم بمثابة الموجة المتوسطة. بشكل فردي ، يقفون ويرفعون أذرعهم ثم يجلسون للخلف - يتأرجحون في مكانهم. ومع ذلك ، فإن الاضطراب ينتشر في جميع أنحاء الملعب.

تميل التذبذبات في الوسط إلى أن تأتي في نوعين: تتذبذب الموجات المستعرضة بزوايا قائمة في اتجاه السفر (كما هو الحال مع الجمهور في الملعب ، أو موجة على سلسلة) وتتذبذب الموجات الطولية بالتوازي مع اتجاه السفر.

الموجات الصوتية هي موجات طولية. عندما تنتشر موجة صوتية عبر وسط ، مثل الهواء ، فإنها تفعل ذلك عن طريق التسبب في اهتزاز جزيئات الهواء ، مما يؤدي إلى حدوث تغييرات في ضغط الهواء ، مما يؤدي إلى الضغط (مناطق الضغط المرتفع) وخلخلة (مناطق الضغط المنخفض) في الهواء مثل الموجة يسافر.

فكر في لعبة زنبركية مثل لعبة سلينكي ممتدة عبر طاولة مع شخص واحد يمسك بأي من طرفيها. إذا قام شخص ما بقطع Slinky تجاه نفسه ، فسوف يرسل موجة طولية أسفل Slinky. سترى مناطق من ملفات Slinky متباعدة عن كثب (ضغطات) وأكثر تباعدًا (تخلخلات). تتأرجح أي نقطة في Slinky ذهابًا وإيابًا في مكانها حيث ينتقل الاضطراب من طرف إلى آخر.

مرة أخرى ، هذا هو بالضبط ما يحدث مع الموجات الصوتية في الهواء ، أو أي وسيلة أخرى ، لهذه المسألة.

تمامًا كما هو الحال مع أي موجة أخرى ، يتم إنشاء الموجات الصوتية عن طريق اضطراب أو اهتزاز أولي. شوكة رنانة مضروبة ، على سبيل المثال ، تهتز بتردد معين. أثناء تحركه ، يصطدم بجزيئات الهواء من حوله ، ويضغطها بشكل دوري.

تنقل المناطق المضغوطة هذه الطاقة إلى جزيئات الهواء المجاورة لها أيضًا ويتحرك الاضطراب عبر الهواء حتى يصل أذنك ، وعند هذه النقطة تنقل الطاقة إلى طبلة الأذن ، والتي ستهتز بنفس التردد - ويفسرها دماغك على أنها يبدو.

عندما تتحدث ، فإنك تهتز حنجرتك (أنبوب مجوف صغير في أعلى القصبة الهوائية) ، والتي بدورها تهتز الهواء المحيط بها ، ثم تنشر طاقة الصوت إلى المستمع. من خلال تقليص وتوسيع الأنسجة في حنجرتك وكذلك التلاعب بالمفاصل في فمك (شفتيك ولسانك وتركيبات الفم الأخرى) ، يمكنك إنشاء أصوات مختلفة.

يمكن أن تكون جميع الكائنات مصادر صوتية تنتج الصوت بنفس الطريقة - عن طريق الاهتزاز ونقل تلك الاهتزازات إلى وسط مجاور ، مثل الهواء.

في الهواء الجاف ، ينتقل الصوت بسرعة

أينتي_جهي درجة الحرارة بالدرجة المئوية. في يوم قياسي يبلغ 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت) ، ينتقل الصوت بسرعة حوالي 343.4 م / ث. هذا حوالي 768 ميلا في الساعة!

تختلف سرعة الصوت باختلاف الوسائط. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون المعدل الذي تنتقل به الموجة الصوتية في الماء أكبر من 1437 م / ث ؛ في الخشب - 3850 م / ث ؛ وفي الألومنيوم ، بما يزيد عن 6،320 م / ث!

كقاعدة عامة ، ينتقل الصوت بشكل أسرع في المواد حيث تكون الجزيئات متقاربة. يسافر الأسرع في المواد الصلبة ، وثاني الأسرع في السوائل والأبطأ في الغازات.

يمكنك إجراء تجربة بسيطة لقياس سرعة الصوت. للقيام بذلك ، ستحتاج إلى مصدر ينبعث منه الصوت (والذي يمكن أن يكون شوكة رنانة أو تصفيق يد أو صوتك الخاص) وعاكسًا. سطح مسافة معروفة بعيدًا عن المصدر (مثل جدار منحدر صلب أمامك عدة أمتار ، أو نهاية مغلقة من بسيط الة النفخ).

شريطة أن يكون لديك معدات (و / أو ردود فعل سريعة بما فيه الكفاية) يمكنها قياس الفاصل الزمني بين وقت انبعاث الصوت ومتى يعود إلى موقع المصدر عبر صدى من السطح العاكس ، سيكون لديك معلومات كافية لتحديد سرعة.

ببساطة خذ ضعف المسافة من المصدر إلى السطح العاكس (لأن الصوت ينتقل من المصدر إلى السطح ، ثم العودة مرة أخرى) وقسمه على الوقت بين انبعاث الصوت و صدى صوت.

على سبيل المثال ، لنفترض أنك صرخت في وادٍ بعمق 200 متر واستقبلت صدى في 1.14 ثانية. ستكون سرعة الصوت 2 × 200 / 1.14 = 351 م / ث.

قد تكون على دراية بظاهرة اختراق بعض الطائرات لحاجز الصوت. ما يعنيه هذا هو أن الطائرة تطير أسرع من سرعة الصوت. في اللحظة التي تتجاوز فيها هذه السرعة ، تخلق دوي اختراق صوتي.

طائرة مسافرة فيماخ 1يسافر بسرعة الصوت. Mach 2 ضعف سرعة الصوت وما إلى ذلك. كانت أسرع طائرة في العالم هي طائرة أمريكا الشمالية X-15 ، والتي وصلت إلى سرعة Mach 6.7 في 3 أكتوبر 1967.

على الأرض ، تم كسر سرعة الصوت في 15 أكتوبر 1997 بواسطة Andy Green الذي قطع 763.035 ميلًا في الساعة في سيارة ThrustSSC النفاثة في صحراء بلاك روك في نيفادا.

تردد الموجة هو عدد التذبذبات التي تحدث عند نقطة معينة في الوسط في الثانية. يقاس بوحدات هرتز (هرتز) حيث 1 هرتز = 1 / ثانية. الطول الموجي للموجة الصوتية هو المسافة بين منطقتين متتاليتين من أقصى ضغط. يقاس عادةً بوحدات الأمتار (م).

سرعة الموجة الصوتيةالخامس،يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالترددFعبر لامدا الطول الموجيت = λ و​.

لا تعتمد سرعة الصوت في وسيط معين على التردد أو الطول الموجي ، ولكنها بدلاً من ذلك ثابتة لتلك الوسيلة المعينة. يتطابق تردد الموجة الصوتية دائمًا مع تردد مصدر الصوت ، لذلك لا يعتمد على الوسيط أو سرعة الموجة.

وبالتالي ، في وسيلتين مختلفتين ، ستكون الترددات هي نفسها ، بينما ستكون السرعات خاصة بالوسيطات وستختلف الأطوال الموجية وفقًا لذلك. (يتوافق التردد العالي مع الأطوال الموجية الصغيرة والعكس صحيح).

تتراوح نطاقات التردد التي يمكن اكتشافها عادةً بواسطة الأذن البشرية من 64 هرتز إلى 23 كيلو هرتز ، على الرغم من أن الناس يميلون إلى فقدان قدرتهم على سماع الترددات الأعلى مع تقدمهم في العمر. في المقابل ، يمكن للكلاب أن تسمع حتى 45 كيلو هرتز تقريبًا (وهذا هو سبب استجابتها لصفارات الكلاب غير مسموع للبشر) ، يمكن للقطط أن تسمع حتى 64 كيلوهرتز ويمكن لخنازير البحر أن تسمع حتى 150 كيلو هرتز!

لا شك أنك صادفت هذا الاقتباس من فيلم 1979كائن فضائي، وهذا صحيح: الصوت لا ينتقل في الفراغ. هذا لأنه يحتاج إلى وسيط. يجب أن يكون هناك بعض المواد بينك وبين مصدر الصوت حتى ينتشر الصوت.

إذن كل مشاهد معارك الفضاء التي تراها في الأفلام مع الانفجارات الصاخبة؟ تماما كاذبة! لن يكون هناك صوت لأنه لا يوجد وسيط يمكن أن ينتقل من خلاله.

شدة الصوت ،أنا، هي قوة الصوت لكل وحدة مساحة. وحدة SI لشدة الصوت هي واط / م² أينأنا₀​ = 10^-12 W / م² يعتبر عتبة السمع البشري. بالعامية ، شدة الصوت هي ما نعتبره "جهارة" الصوت.

من الطرق الشائعة لعرض ارتفاع الصوت المدرك استخدام مقياس ديسيبل (dB) ، حيث تكون شدة الصوت بالديسيبل:

هذا المقياس مفيد لأن البشر لا يدركون جهارة الصوت خطيًا. أي أن الصوت الذي تكون شدته ضعف شدته يمكن أن يبدو أكثر من ضعف الصوت عندما بدأ بهدوء ، وأقل من ضعف الصوت إذا بدأ بصوت مرتفع إلى حد ما بالفعل. يوفر مقياس الديسيبل أرقامًا أكثر اتساقًا مع تصوراتنا.

يبلغ معدل تنفس الضوء حوالي 10 ديسيبل ، بينما المحادثة في مطعم تبلغ حوالي 60 ديسيبل. يبلغ ارتفاع الجسر فوق 1000 قدم حوالي 100 ديسيبل. قصف الرعد المؤلم على الحدود هو 120 ديسيبل ، ويتمزق طبلة الأذن عند 150 ديسيبل.

ترتبط الطاقة في الموجة الصوتية ارتباطًا مباشرًا بالكثافة. وحدات الشدة W / m²، هي نفس J / (sm²) أو الطاقة بالجول في الثانية لكل متر مربع.

تذكر أن سرعة الصوت تعتمد فقط على الوسط وليس على تردد الموجة. هذا شيء جيد لأن الاستماع إلى حفلة موسيقية سيكون تجربة مروعة ، حيث ستصلك نغمات موسيقية مختلفة خارج النظام.

تتوافق الترددات المختلفة للصوت مع نغمات مختلفة أو نغمات موسيقية. عندما يغني المطرب ، فإنهم يصدرون ترددات مختلفة عن طريق تغيير حجم وشكل حنجرتهم. صُممت الآلات الموسيقية لخلق أصوات ذات نغمات نقية عادةً عن طريق إنشاء موجات واقفة ، سواء في أنبوب أو أنبوب ، أو على طول وتر.

فكر في آلة وترية مثل الجيتار. يعتمد التردد الذي يهتز عنده الوتر المقطوع على كثافة كتلته (مقدار الكتلة لكل وحدة طول) ، والتوتر في الخيط (مدى إحكام تثبيته) وطوله. إذا نظرت إلى جيتار ، فسترى أن كل وتر له سمك مختلف. تسمح لك مقابض الضبط الموجودة في نهاية المقبض بضبط شد الخيط ، ويمنحك الحنق أماكن لوضع أصابعك لتغيير أطوال الأوتار أثناء اللعب ، مما يتيح لك إنشاء العديد من الأشياء المختلفة ملاحظات.

على النقيض من ذلك ، تتكون آلات النفخ الخشبية من أنابيب مجوفة حيث يمكن إنشاء موجات واقفة في أعمدة الهواء (تمامًا كما هو الحال في حنجرتك). تتيح لك ثقوب النغمات المختلفة في هذه الأداة تغيير أنواع الموجات الواقفة التي يمكن أن تتشكل ، وبالتالي تغيير النغمات التي يمكن عزفها.

بالنسبة لآلة مثل الترومبون ، يمكنك أيضًا ضبط طول الأنبوب عن طريق تحريك الشريحة ذهابًا وإيابًا ، مما يسمح بموجات تردد مختلفة ، وبالتالي عزف نغمات مختلفة.

الآلات الإيقاعية ، مثل البراميل ، تعتمد على اهتزازات الغشاء (مثل رأس الطبلة). يشبه إلى حد كبير نتف أوتار الجيتار ، عندما تضرب رأس الطبلة في مواقع مختلفة ، تتشكل الموجات الواقفة على الغشاء ، مما ينتج الصوت. يعتمد تردد الصوت وجودته على حجم الغشاء وسمكه وتوتره.