موج صوتی یک موج طولی است که توسط جسمی مرتعش مانند سیم گیتار، پرده های صوتی حنجره انسان، دیاپازون، و یا پوسته های مرتعشی مانند صفحه مرتعش یک بلندگو تولید می شود. به اینها اصطلاحا چشمه صوت می گویند.
انتشار موج صوتی
وقتی یک چشمه صوت مرتعش شود، صوت ایجاد شده در تمام جهات منتشر می شود. امواج صوتی، امواج مکانیکی طولی هستند که برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند. مثلا با ارتعاش دیافراگم یک بلندگو، یک موج صوتی ایجاد می شود. حرکت به بیرون دیافراگم، هوای جلوی آن را متراکم می کند. این تراکم مانند فشردگی فنر در یک موج طولی به سمت جلو جرکت می کند (شکل الف). این حرکت در هوا با سرعت صوت انجام می شود. بعد از تولید یک ناحیه متراکم در هوا، دیافراگم حرکتش را بر عکس می کند و به داخل می رود. حرکت رو به داخل دیافراگم، هوای جلوی آن را منبسط می کند. این انبساط که با سرعت صوت در هوا حرکت می کند، مانند ناحیه بازشدگی در یک فنر کشیده شده است (شکل ب).
توجه کنید که وقتی موج می خواهد از بلندگو یه گوش فرد برسد، مولکولهای هوا از بلندگو حرکت نمی کنند تا به گوش شنونده برسند بلکه فقط در جای خود به جلو و عقب نوسان می کنند.
وقتی مولکول های هوا متراکم می شوند ناحیه پرفشار و وقتی در ناحیه ای منبسط می شوند، ناحیه کم فشار ایجاد می شود. این نواحی پرفشار و کم فشار در واقع موج صوتی را منتشر می کنند. و می توان مانند زیر نمودار فشار هوا بر حسب فاصله از چشمه صوت را رسم کرد. در شکل زیر دامنه و طول موج صوت نشان داده شده است.
چگونگی ایجاد موج صوتی توسط دیاپازون
در دیاپازون، وقتی شاخه ها با ضربه ای به دیاپازون به ارتعاش درمی آیند، دو شاخه آن در خلاف جهت یکدیگر به ارتعاش درمی آیند. اگر شاخه ها از هم دور شوند، هر شاخه لایه هوای مجاور خود را متراکم می کند (شکل الف) و اگر شاخه ها به هم نزدیک شوند، هر شاخه لایه هوای مجاور خود را منبسط می کند (شکل ب) .
در لایه های متراکم، چگالی و در نتیجه فشار هوا نسبت به قبل از ارتعاش دیاپازون اندکی زیاد می شود، در حالی که در لایه های منبسط، چگالی و در نتیجه فشار هوا نسبت به قبل از ارتعاش دیاپازون اندکی کم می شود. این تراکم ها و انبساط ها متناوباً تولید شده و در هوا حرکت می کنند و بدین ترتیب مانند آنچه در بالا گفته شده یک موج صوتی راه می افتد.
ساز و کار صدای وزوز حشرات
حشرات هنگام پرواز بال هایشان را در هر ثانیه صدها بار تکان می دهند. بال حشرات مانند صفحه مرتعشی است و نشان داده شده هر صفحه با ارتعاش به حد کافی زیاد (بیش از 16 بار در ثانیه) صوتی با ارتفاع معینی را ایجاد می کند. سازوکار ایجاد این صوت مانند همان است که در ارتعاش دیافراگم بلندگو و نیز در توضیح ایجاد صوت در دیاپازون گفتیم. محض اطلاعات عمومی خوب است بدانید مگس در هنگام پرواز در هر ثانیه 352 بار، زنبور میوه در هر ثانیه 220 بار، زنبور عسل در هر ثانیه 440 بار، و پشه در هر ثانیه 500 تا 600 بار بال می زند.
تندی انتشار موج صوتی
سرعت انتشار مانند دیگر موج های مکانیکی با رابطه v=fλ به دست می آید که به بسامد و طول موج مربوط می شود و به ویژگی های فیزیکی محیط بستگی دارد. هر چه محیط تراکم ناپذیر تر و چگالی آن کمتر باشد، تندی صوت در آن بیشتر است.
مشاهدات تجربی نشان می دهد که سرعت صوت در جامد ها سریع تر از مایعات و در مایعات سریع تر از گازها است. همچنین سرعت صوت علاوه بر جنس محیط به دما نیز بستگی دارد. هر چه دما بیشتر باشد، تندی صوت بیشتر است. جدول زیر تندی صوت را در تعدادی از گازها و مایع ها و جامدها نشان می دهد.
مثال1:
شخصی با چکش به انتهای میله باریک بلندی ضربه ای می زند. تندی صوت در این میله 15 برابر تندی صوت در هوا است. شخصی دیگری که گوش خود را نزدیک به انتهای دیگر میله گذاشته است، دو صدا را که یکی از میله می آید و دیگری از هوای اطراف میله با اختلاف زمانی 0.12s می شنود. اگر تندی صوت در هوا 340m/s باشد، طول میله چقدر است؟
پاسخ:
اگر تندی صوت در هوا vs و اگر تندی صوت در میله vb باشد.
شدت صوت
انتشار صوت از هر چشمه صوتی همرا با انتقال انرژی از ناحیه ای از محیط به ناحیه دیگر است. در واقع چشمه صوت این انرژی را با به حرکت درآوردن لایه ای از محیط که در تماس مستقیم با چشمه است به محیط می دهد. انرژی از این لایه به لایه بعد و به همین صورت به لایه های دیگر منتقل می شود و در تمام جهات منتشر می شود.
شدت یک موج صوتی (I) در یک سطح، برابر با آهنگ متوسط انرژی است که توسط موج به واحد سطح، عمود بر راستای انتشار صوت می رسد و یا از آن عبور می کند.
که در آن Pav آهنگ متوسط انتقال انرژی و A مساحت سطحی است که صوت با آن برخورد می کند. بنابر این یکای شدت صوت وات بر متر مربع است. (W/m2)
اگر چشمه صوت کوچک باشد، طوری که بتوان آن را چشمه نقطه ای فرض کرد، انتشارصوت در آن به صورت کروی خواهد بود، و اگر اتلاف انرژی توسط محیط نداشته باشیم، می توان با استفاده از مساحت سطح کره رابطه را به صورت زیر نوشت و شدت صوت را در فاصله r از چشمه حساب کرد.
تراز شدت صوت
شدت صوت را می توان با یک آشکارساز اندازه گرفت. با اندازه گیری شدت صوت های مختلف متوجه می شویم که گستره شنوایی انسان صوت هایی با شدت حدود 1012 است. چون این اعداد بسیار بزرگ هستند، برای بررسی شدت های مختلف راحت تر است که از لگاریتم در پایه 10 استفاده کنیم. یعنی به جای شدت I یک موج صوتی راحت تر است که از تراز شدت صوت (تراز صوتی) استفاده کنیم.
که در آن dB مخفف دسی بل، یکای تراز شدت صوت است. همچنین I0 شدت مرجع است که نزدیک به حد پایین گستره شنوایی انسان است. (I0=10-12W/m2) یک موج صوتی با شدت I=I0 تراز شدت صوتی برابر با 0dB دارد. جدول زیر شدت ها و ترازهای شدت صوت را برای چند صدای متفاوت داده است.
بهتر است برای حل مثال های این بخش برخی از ویژگی های لگاریتم را مرور کنید.
مثال2:
تراز شدت صوت یک مخلوط کن 80dB است. شدت این صدا چقدر است؟
پاسخ:
اختلاف تراز شدت دو صوت
اختلاف تراز شدت دو صوت را می توان از رابطه زیر حساب کرد.
مثال3:
با زیاد کردن صدای تلویزیون شدت صوتی که به گوش ما می رسد 100 برابر می شود. تراز شدت صوتی که می شنویم چند دسی بل افزایش یافته است؟
پاسخ:
اگر مدت زمان طولانی در معرض یک صوت با تراز شدت بالا باشیم، شنوایی ما آسیب می بیند و مقدار آستانه شنوایی مان افزایش می یابد. مطالعات نشان داده است که اگر به مدت 10 دقیقه در معرض صوتی با تراز شدت 120 دسی بل باشیم، آستانه شنوایی به طور موقت از صفر دسی بل به 28 دسی بل افزایش می یابد. اگر به مدت 10 سال در معرض صدایی با تراز شدت 92 دسی بل قرار گیریم، آستانه شنوایی به طور دائم به 28 دسی بل افزایش می یابد.
ادراک شنوایی
وقتی دیاپازونی را با ضربه ای به ارتعاش در می آوریم، دیاپازون نوسان هایی انجام می دهد که به دلیل میرایی کم به حرکت هماهنگ ساده نزدیک است. به صوت حاصل از چنین چشمه هایی تن موسیقی یا تن می گویند.
هر تن دو ویژگی دارد. ارتفاع و بلندی. ارتفاع و بلندی هر دو به ادراک شنوایی ما مربوط می شوند. ارتفاع بسامدی است که گوش انسان درک می کند مثلا اگر چند دیاپازون با بسامد های مختلف به طور یکسان نواخته شوند، بسامد آنها را می توان از کمترین تا بیشترین مقدار تشخیص داد. مانند تشخیص صدای بم یا زیر اشخاص مختلف.
بلندی، شدتی است که گوش انسان از صوت درک می کند. اگر یک دیاپازون با بسامد مشخص را با ضربه هایی متفاوت به ارتعاش در آوریم، با اینکه بسامدی که می شنویم تغییر نمی کند اما صداهایی با بلندی متفاوت می شنویم. مانند صدای بلند و آرامی که یک شخص ایجاد می کند. بلندی با شدت تفاوت دارد. شدت را می توان با یک آشکارساز اندازه گیری کرد اما بلندی چیزی است که انسان حس می کند. دستگاه شنوایی انسان به بسامد های متفاوت حساسیت های متفاوتی نشان می دهد. مثلا بیشترین حساسیت گوش انسان مربوط به بسامد هایی در محدوده 2000Hzتا 5000Hzاست در حالی که قادر به شنیدن صداهای 20Hzتا 20000Hz نیز است.
البته بلندی صوت علاوه بر شدت صوت، به بسامد آن نیز بستگی دارد. یعنی اگر دو صوت شدت یکسان ولی بسامد های متفاوت داشته باشند، با بلندی های مختلف شنیده می شوند.
ویدیو آموزشی موج صوتی
ویدیو آموزشی زیر را در مورد مطالب بالا که توسط مصطفی کبیری آماده شده است، مشاهده کنید.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
تمرین های موج صوتی
تمرین 1: دو شخص به فاصله d1 و d2 از یک چشمه صوت قرار دارند. شخصی که در فاصله d1 قرار دارد، صدا را 18 دسی بل بلندتر می شنود. نسبت d2/d1 کدام است؟ (log2=0.3 و از جذب انرژی صوت توسط محیط صرف نظر شود.)
تمرین 2: اگر صدایی 12 دسی بل بلندتر از صدای دیگر باشد، شدت صدای بلندتر چند برابر شدت صدای دیگر است؟ (log 2=0.3)
تمرین 3: دامنه ارتعاشات یک موج صوتی 20 درصد کاهش داده می شود. در یک نقطه معین تراز شدت صوت چند دسی بل کاهش می یابد؟(log 2=0.3)
تمرین 4: یک موج صوتی با توانی I=4×10-4W از یک صفحه به مساحت 8 متر مربع می گذرد. شدت صوت در صفحه را تعیین کنید.
تمرین 5: تراز شدت صوتی 50dB است. شدت این صوت چند وات بر متر مربع است؟ (I0=10-12W/m2)
تمرین 6: در فاصله 15 متری از یک چشمه صوت تراز شدت صوت دریافتی β1 و در فاصله 30 متری از یک چشمه صوتی با بسامد و دامنه ای 2 برابر چشمه صوت اول، تراز شدت صوت دریافتی β2 است. β2 – β1 چند دسی بل است؟ (از جذب انرژی توسط محیط چشم پوشی کنید و log2=0.3 )
تمرین 7: توان یک چشمه صوت 500 میلی وات است. اگر در یک فضای باز، شنونده ای در فاصله 20 متری از چشمه، صوت حاصل را با بلندی 80 دسی بل احساس کند، در انتشار صوت در این فاصله چند درصد توان توسط محیط جذب شده است؟ (I0=10-12W/m2 , π=3)
دانلود نسخه PDF جزوه بالا به همراه پاسخ تمرین ها
12 دیدگاه دربارهٔ «موج صوتی»
سلام. من مهندس بهداشت حرفه ای هستم. ویکی از دروس تخصصی ما صدا و کنترل اثرات آنست. از سایت شما خیلی بهره بردم. چون روان و راحت توضیح داده بودید. از شما تشکر میکنم. راستی من در مورد ارتعاش هم دنبال مطلب گشتم در سایت شما متاسفانه پیدا نکردم. یا شاید من خیلی دقیق سرچ نکردم. لطفا در مورد ارتعاش و همچنین امواج هم فاز و غیرهمفاز نیز مطلب بگذارید. سپاسگزارم
سلام. سپاس از شما. عنوان تداخل امواج را در سایت جستجو کنید.
سلام. اگر یک موج از محیط رقیق به محیط غلیظ وارد شود سرعتش کاهش می یابد. (به واسطهء ضریب شکست). پس چرا موج صوتی زمانیکه از هوا وارد آب میشود, به این مطلب استناد میگردد که ,بواسطهء چگال تر شدن محیط, سرعتش افزایش می یابد؟؟!! سپاس فراوان
پاسخ را خودتان داده اید. در مورد موج صوتی شکست در حین عبور از گاز به جامد برعکس موج الکترومغناطیسی است. البته در نظر داشته باشید سرعت صوت در هوا به دما هم بستگی دارد و با افزایش دما (هوای رقیق تر) افزایش می یابد.
سلام.چرا هرچه جرم اتمی محیط بیشترباشد سرعت موج صوتی کمترمیشود؟
چون سرعت صوت با چگالی رابطه وارون دارد. افزایش جرم اتمی موجب افزایش چگالی می شود.
سلام وقتتون بخیر
میشه لطفاً بگید توی یه سوال ما دو جواب برای شدت موج بدست آوردیم و هردو از نظر ریاضی حتما درست حل شدن
میشه لطفاً بگید علت فیزیکیش چیه ؟!
یا بخاطر چه موضوعی از فیزیک !؟
( مطمئنم که ریاضیش درسته ) ( اختلافشون هم خیلی کمه )
شاید اتلاف انرژی. لطفا اصل سوال رو بفرستید.
درود بر شما.
توی گشت و گذار در اینترنت به سایت شما برخوردم. تبریک میپم. واقعا سایت پرباری دارید. تشکر میکنم از اینکه مطالب آموزشی را به این شکل زیبا و روان در اختیار علاقه مندان قرار دادید. حتما سایت شما را به دانش آموزان پیشنهاد خواهم کرد.
درود بر شما. خوشحالم از نظر لطف شما. سپاس فراوان
سلام خواستم تشکر کنم واقعا عالی توضیح دادید خیلی خوشحال که انسانهایی هستند یا وجود دارند حداقل اینده افراد فهم دار وجود داشته باشه که قدرت فهم استنتاج دارند..خدا کنه خدا یا نیافرینه یا میافرینه اگر ادم هستیم عین ادم باشیم عین ادم زندگی کنیم مبحث نور و صوت خیلی جالب است درکش خیلی عمیق است یعنی درک کردن این مفاهیم باید یا پوست و استخوانت بفهمی البته راه هایی هست که میشه ادم باپوست و استخوانش مطالب یاد نگیره مثلا میگویند ادب از که اموختی از بی ادبان و انسانیت از کی یاد گرفتی از حیوانیت یعنی با دیدنم البته خوب یک مقدار سخت است میزان فهم ادم نست به اینکه روی خودش امتحان بکنه کمتر میشه چون میدان دید ما انسانها متفاوت است مثل حیوانت. میدان شنوایی چیزیکه غریزی است ماها متفاوت است مثل حیوانات مثلا خفاش گوشش قوی است موش کور است خفاش کور است یا مثلا نهنگها از خودشان صدا تولید میکنن یعنی ساختار گوش و چشم وابسته به حیوانیت ما است مثلا شما میگی اما ان شخص نمیفهمه با دیوار داری حرف میزنی یا نور یک طیفی دارد نور مرئی است نور هم هست طول موجش بلند تر مثل مادون قرمز یا امواج رادیویی یا موج مایکروویوی یا ممکنه طول موج کوتاه باشه مثل امواج فرانفش مثل ایکس ما نمیینیم اما هست همینطور صدا مثلا صدا را مثلا صدای هرتز بلند تر ما نمیشنویم همینطور صدایی با فرکانس کوتاه نمیشنویم مثلا گربه یا سگ صدا مثلا 40 یا 50 هرتز میشنوه ادمها هستند نمیشنوند البته بعضی ها اصلا ادم نیستند ادمیزاد مجبور نیست که ادم بکشه باید درونش کنترل بکنه دیگه انتظار این است ولی نمیتونند چون حیوان است و لذتش به کشتن است خیلی ها از منظره سر بریدن گوسفند که خون از گلوش میچکه لذت میبرند …و ساختار فهم تفکر نداره حتی شما صد بار بگی نمیفهمه.. ..متاسفانه باید مسئولین این چیزها بفهمند..ای کاش شما به مسئولین ومدیرها ما وزیر اینها اموزش میدادید………….. بعد شما در مورد زیر و بم بودن صدا گفتید…درست میگی ولی مشکلات ما ببخشید هر کسی یک مشکلی دارد یا مشکل بدنی است یا مشکل اجتماعی است یا مشکل مادی است هر کدام یک راه حلی براش وجود دارد مشکل بدنی خوب منبع بدن ما دوتا رشته دی ان ان است که یک رشته مال مادر است یک رشته مال پدر است.. حالا دیگه طبیعت مادر وپدر ادم این داده است.. ان بیچاره وابسته به جامعه هستند مشکلات اجتماعی خوب یک مقدار زبان ادمها متفاوت است بعد مکانها تعریف نشده است مثل حیوان مثلا شما فکر میکنی البته من دیدم بیچاره گربه بیچاره از چراغ قرمز رد نمیشه سبز میشه رد میشه ولی ما حقایق قبول نکردیم بعد هیچ وقت تو ایران چون از قومیتها متفاوتی بودمثلا شاید60 درصد تهران که تازه تهران است ترکی صحبت میکنند زبان دوم ترکی است یا شاید 50 درصد در ایران عربی حرف میزنند.. زبان دینی و زبان دوم 99 درصد ماها عربی است کشور خوبی نیست هیچ وقت قانون نداشته همه عادت دارند دستشان یا موهاشان تو زندگی دیگران باشه کشور جهان سوم بودیم..حالا مسئولین ما جهان سوم هستند منش درست که نداشتند برای قدرت همیشه نفس میکشیدندخلاصه انسانیت معنی نداشته وظیفه شناسی جایگاهی نداشته همیشه کلاه برداری بوده خلاصه دور از جان شما خر بدنیا میامدیم گاو میرفتیم و اجازه نداشتیم حتی در مورد حقوق خودمان حق خودمان صبحت بکنیم تا تصمیم بتونیم بگیریم تصمیم درست ..در مورد کسی که صدای بم دارد به نظر شما باید چون مرد است بیاد خانمها اذیت بکنه..چون مرد است.. اون هم تو کشوری که مشکلات مادی ما خیلی زیاد تجربه میکنیم.. چون نر است باید بکشه دیگران گل بی عیب خدا هست حالا ما ساختاری ما خانمها بیشتر ایراد داریم قدرت تفکر ما کمتراست احتمال گول زدن ما زیادتر است گول خوردن ما بیشتر است .حالا بگذریم که مردهایی گنده گول مفت میخورند…. البته ماده نباید خیلی اشتباه در مورد دیگران بکنه ولی در فرهنگ ما خانم چون تسترون تولید نمیکنه قدرت تفکر میگویند نداره.. میگویند ضعیفه یعنی هم ادرنالین کمتر تولید میکنه هم تسترون کمتر تولید میکنه خلاصه اسم ما خانمها بد در رفته است ولی یک اقا این کار انجام بدهدما چی بگوییم بعد کشوری هست که اصلا نه قانون داره شما نگاه کن شما فکر میکنی رییس قوه قضایه ما این مطالب میدانه نه اگر بدانه چرا عملکردش این است خوب نمیدانه یا اهمیت ماها نداریم یا نمیدانه … یعنی برای جان ما ارزش قائل نیست میگویند بدرک.. علت مرگ چی است علت مرگ درد زیاد .. بقول خود شما از یک استانه درد بگذری صدا نمیشنوی از یک استانه درد بگذرید دیگه نمیبینی….. مرگ این جوری میاد که ادمها ازش فراری هستند همه دوست دارند زنده باشند… چون دیگه عملکرد نداری خدا نیاره ادم دستش از دنیا کوتاه ببشه دیگه خوراک بقیه ان مردم ایران میشه …خدا ادم سلامت نگه داره دیگه افسار رشته زندگی اش دست مخصوصا نامردها بیفته تمام است……بعد همه رهبر و شاههایی دنیا دوست دارند زنده باشند تا ما رعیت که افسار زندگی دست اینها هست…..خلاصه اینها حق حیات میدهند اجازه میدهند حتی حق مالکیت حق عمر حتی ساعت مرگ و نحوه مرگ ما دست انها هست… انها تعیین میکنند عملا ما کاره ای نیستم عروسکهایی هستیم در دست انها. کاری نداره دست بد ذاتان بیفتیم تمام است کافی خانه ادم یا محله ادم یا مثلا به حساب دوست اشنا یا خانواده کفتارها شغالها روانه ادم بکنند تمام است مگه میشه شما با کفتار یا شغال مکالمه داشته باشی ان فکر شکمش هست… ما طعمه اش هستیم.. نه قوه قضایه ای هست نه پلیسی هست میتونه نباشه شتر دیدی ندیدی خیلی راحت میتوند بکشند کاری براشان نداره … حالا تو نرهای حیوانات من انقدر ندیدم ولی نرهایی انسان این جوری است. ..خوب شما مجبور باشی هر کاری هر دروغی هر کار غیر انسانی میکنی البته باز هم ادمها متفاوت هستند یکی شغال یکی کفتار یکی مگس بنا به وجدان که مطلوبیت خودش است یعنی بد و خوب معنی نداره نیاز خودش معنی داره وعمل خودش تعریف میکنه بگذریم خواستم تشکر کنم شما خیلی خوب یاد دادید من هم علاوه بر تشکر خواستم دایره شما بسط بدهم….امیدوارم وقت گذاشتی دیدگاه من ملاحظه کردی… من به داده هایی شما اضافه کرده باشم.. ممنون شما
سپاس از لطف و نظر شما. تنها راهی که سراغ دارم تا همه مشکلاتی که شما میگید حل بشه، یادگیری علم و استفاده از روش علمی است.