از ارتعاش مولکول های ماده انرژی صوتی به وجود می آید و در مواد مختلف با حرکت یک ذره و برخورد آن به ذرات دیگر این انرژی منتقل می شود. انرژی صوتی در هر یک از سه حالت ماده (جامد، مایع و گاز) می تواند انتشار یابد. معرفی انرژی صوتی در کتاب علوم پایه هفتم به اختصار آمده و در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی این صورت از انرژی می پردازیم.
تعریف و اهمیت انرژی صوتی
انرژی صوتی صورتی از انرژی است که با لرزش و ارتعاش مولکول های ماده تشکیل و منتقل می شود. اگر شیء بدون حرکت باشد صدا تولید نمی شود. پس با ارتعاش و نوسان شیء هوای اطراف آن نیز مرتعش می شود. انرژی با حرکت مولکول های هوا منتقل می شود. زندگی در دنیای بدون صدا بسیار سخت می شد. این که با صحبت کردن و شنیدن حرف های یکدیگر می توانیم با دیگران ارتباط برقرار کنیم. این که می توانیم با گوش دادن به رادیو و تلویزیون از دنیای بیرون باخبر می شویم همه با تولید صدا و انرژی صوتی امکان پذیر است.
نوع انرژی صوتی چیست
در یک مثال ساده (صدای ناقوس) متوجه می شویم که انرژی صوتی یک انرژی مکانیکی می باشد. وقتی ضربه به ناقوس وارد می شود، با حرکت آن مولکول های هوای اطراف ناقوس به ارتعاش درمی آیند و به مولکول های کنار خود ضربه می زنند. همین طور این ضربه زدن به مولکول های مجاور به صورت زنجیری در تمام جهات اتفاق می افتد. وقتی به هوای اطراف گوش می رسند آن ها را نیز مرتعش می کنند و توسط افراد شنیده می شود. پس اولا باید ماده و مولکولی وجود داشته باشد که صدا منتقل شود (در خلأ صدا شنیده نمی شود) پس یک انرژی مکانیکی است. به عنوان مثال در ماه به دلیل نبودن هوا هیچ صدایی شنیده نمی شود. ثانیا چون صدا با حرکت ذرات منتقل می شود یک انرژی جنبشی می باشد.
چیزی که حائز اهمیت است این است که امواج صوت با حرکت مداوم کم کم انرژی خود را از دست می دهند. علت این که نمی توانیم از فاصله های خیلی دور صداها را بشنویم همین موضوع است. همچنین در روزهای بادی که جهت امواج صوتی خلاف جهت باد باشد صداها را ضعیف تر می شنویم.
صدا و انتقال آن در مواد با حالت های مختلف
صدا از هرسه حالت ماده قابل انتقال است اما سرعت انتقال در حالت های مختلف متفاوت است. جامدات راحت تر و سریع تر از مایعات، مایعات نیز سریع تر از گازها صدا را منتقل می کنند. چون در جامدات تراکم مولکول ها زیاد بوده و ذرات راحت تر به هم برخورد می کنند و صدا راحت تر شنیده می شود. مثلا اگر ضربه ای به لوله شوفاژ در زیرزمین وارد شود شما می توانید در طبقات بالا با قرار دادن گوش خود روی شوفاژ صدای ضربه را بشنوید. یا به عنوان مثال در زیر آب جانوران دریایی شکار خود را از فواصل خیلی دور می توانند شناسایی کنند.
می توان گفت صدا و نور از این جهت که هر دو باید از یک منبع خارج شوند شبیه هم هستند ولی از یک جهت تفاوت اساسی با هم دارند و آن این است که برای انتقال صدا وجود ماده و مولکول واسطه مانند هوا، آب و… لازم است. اما نور می تواند بدون هیچ واسطه ای و حتی در خلأ گذر کند.
آزمایش بویل در رابطه با صدا
درون محفظه ای که دریچه ای در بالای خود برای ورود و خروج هوا دارد، ساعت زنگداری را با زنگ روشن می گذاریم. تا زمانی که هوا داخل محفظه است صدای زنگ ساعت را می شنویم. اگر با پمپ خلأ هوای داخل محفظه را خالی کنیم، هیچ صدایی از ساعت شنیده نمی شود با این که همچنان زنگ ساعت می زند. با باز کردن در یچه و ورود هوا داخل آن دوباره صدا شنیده می شود. این آزمایش کاملا نشان می دهد که برای این که امواج صدا منتقل شود و ما آن ها را بشنویم وجود مولکول های واسطه لازم و ضروری است.
خصوصیات فیزیکی انرژی صوتی
انتقال صدا به صورت امواج صوتی است و این امواج با یک سری پارامترهایی شناخته می شوند. مهمترین این خصوصیات بسامد (فرکانس)، دامنه، طول موج و سرعت می باشد.
فرکانس یا بسامد
به تعداد نوسانات و ارتعاشات یک موج در واحد زمان بسامد یا فرکانس می گویند. مفهوم فرکانس را می توان با صداهای بم و زیر توضیح داد. صداهای بم، صداهایی با فرکانس پایین یعنی با ارتعاشات پایین هستند که نمونه هایی از آن مثل صدای طبل و صدای در زدن می باشد. صداهای زیر صداهایی با فرکانس بالا هستند و صدای بوق ماشین و صدای ظروف نمونه هایی از آن است.
طول موج
به فاصله بین دو برآمدگی و یا فاصله دو فرورفتگی در ارتعاشات موجی را طول موج می گویند که برعکس بسامد می باشد.
دامنه صوتی
ارتفاع یک موج صوتی را دامنه می گویند. هر چه صداها بلندتر باشد موج های آن بزرگ تر بوده و دامنه یا شدت آن (ارتفاع موج صوتی) بزرگ تر خواهد بود.
سرعت
فاصله ای که موج صوتی در واحد زمان طی می کند سرعت صوت خواهد بود. به عبارتی دیگر به سرعتی که انرژی صوتی بین دو جا و مکان انتقال می یابد را سرعت صدا می گویند. به عنوان مثال چون هواپیمای جت سرعتی بیشتر از سرعت صوت دارد به همین جهت یکی دو ثانیه این هواپیما زودتر از صدای موتورهایش رویئت می شود. در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد در سطح دریا سرعت صوت در هوا ۳۴۰ متر بر ثانیه است. در هنگام رعد وبرق صدای آن را بعد از دیدن آن می شنویم. چون سرعت نور خیلی بیشتر از سرعت صوت است. صدا مسیر یک مایلی را در ۵ ثانیه طی می کند. سرعت صدا در جامدات بیشترین و در گازها مثل هوا کمترین حد است.
بلندی و شدت صدا با واحدی بدون بعد به نام دسی بل (dB) نشان داده می شود که صداهای مختلف شدت های متفاوتی دارند. مثلا حرف زدن معمولی شدتی برابر ۵۰ تا ۶۰ دسی بل دارد. صدای ماشین ۴۵ و صدای رعد و برق ۱۱۰ دسی بل است. صداها با شدتی بالاتر از ۱۲۰ دسی بل برای گوش انسان مضر هستند.
انواع امواج صوتی
انرژی صوتی حرکتی موجی شکل دارد و به دو گروه موج های عرضی و طولی تقسیم می شود. امواج عرضی انرژی صوتی به شکل ارتعاشات ممتد و در راستای عمود بر جهت حرکت آن می باشد (مثل موج هایی که در آب دریا تشکیل می شود). این موج ها با شروع حرکت از منبع تولید آن به شکل موج هایی با واسطه آن در راستای قائم نسبت به جهت انتشار موج، حرکت کرده در انتها به گوش می رسد. در حرکت امواج عرضی موج صوتی، مولکول های هوا در بعضی از نقاط در هم جمع شده و بعضی قسمت ها از هم جدا قرار می گیرند (حرکت جلو و عقبی). امواج طولی انرژی صدا در جهت انتشار و حرکت موج نوسان پیدا می کند مانند صداهایی که از طریق هوا منتقل می شود.
معرفی چند اصطلاح (پژواک و پراش امواج صوتی)
پژواک (انعکاس صدا)
امواج صوتی می تواند معکوس شود درست مانند نوری که به آینه می خورد و برمی گردد و یا امواج آبی که بعد از برخورد با سد برمی گردند. مثلا وقتی در مقابل کوه فریاد می زنید و صدای شما بعد از برخورد با کوه منعکس می شود، به این فرآیند پژواک می گویند. استفاده آن بیشتر در سونار است. سونار دستگاهی است که به وسیله آن می توان اجسام، جهت، فاصله و اطلاعات موجود در آن ها را در زیر آب تعیین کرد (مانند تعیین محل کشتی های غرق شده و دیگر اجسام زیر آب).
پراش امواج صوتی
حرکت امواج صوتی چون به شکل دایره ای و در تمام جهات می باشد بنابراین می توانیم در هر جهتی حتی در گوشه ها نیز آن را بشنویم. به عنوان مثال شخصی در طبقه پایین منزل با صدای بلند تلویزیون تماشا می کند. امواج صوتی از تلویزیون خارج شده هوای اطراف را مرتعش می کند . امواج صدایی که شکل گرفته در مولکول های هوا به شکل طولی حرکت کرده و از دیوارهای خانه عبور کرده، وارد طبقه شما شده و مولکول های هوای خانه شما نیز نوسان می کند و در نهایت به گوش شما می رسد. به این توانایی امواج صدا که در تمام جهات می تواند خم شده و منتشر پیدا کند پراش امواج صوتی می گویند.
تبدیل انرژی صوتی به انرژی های دیگر و برعکس
دستگاهی مثل بلندگو می تواند انرژی الکتریکی را به صوتی و دستگاهی مثل میکروفن انرژی صوتی را به الکتریکی تبدیل می کند و اسپیکرهای تلفن هر دو تبدیل انرژی را می توانند انجام دهند. با قرار دادن دست روی کلیدهای پیانو انرژی جنبشی به انرژی صوتی تبدیل می شود و با گذاشتن دست روی بلندگو انگشت های شما می لرزد یعنی انرژی صدا به انرژی جنبشی تبدیل شده است.
صدا چیست؟
صدا ارتعاشی است که به صورت موج صوتی از طریق یک رسانه انتقال مانند گاز، مایع یا جامد منتشر می شود. صدا و موسیقی بخشی از تجربه روزمره ما هستند. همانطور که انسان برای تشخیص نور و رنگ چشم دارد، ما نیز برای تشخیص صدا گوش داریم. اساس درک صدا، موسیقی و شنوایی، فیزیک امواج است. صدا موجی است که با ارتعاش اجسام ایجاد می شود و از طریق یک محیط از مکانی به مکان دیگر منتشر می شود.
اثر داپلر هر زمان که منبع امواج نسبت به یک ناظر در حال حرکت باشد مشاهده می شود. اثر داپلر را می توان به عنوان اثر تولید شده توسط یک منبع متحرک امواج توصیف کرد که در آن یک تغییر ظاهری به سمت بالا در فرکانس برای ناظری که منبع به سمت او نزدیک می شود و یک تغییر ظاهری به سمت پایین در فرکانس برای ناظری که منبع از او دور می شود وجود دارد. توجه به این نکته مهم است که این اثر به دلیل تغییر واقعی در فرکانس منبع ایجاد نمی شود.
وقتی از کیفیت یک صدا صحبت می کنیم، منظورمان چیزی است که آن را منحصر به فرد می کند. حتی اگر دو صدا زیر و بمی یکسانی داشته باشند (چقدر بالا یا پایین هستند) و بلندی (چقدر قوی هستند)، باز هم می توانند متفاوت به نظر برسند. به عنوان مثال، صدایی که توسط یک وینا تولید می شود با صدای یکنواخت فلوت متفاوت است. به این تفاوت در کیفیت صدا تایمبر نیز می گویند. ما می توانیم بین صداهایی که آلات موسیقی یا خوانندگان مختلف تولید می کنند به دلیل ویژگی های منحصر به فردشان تفاوت قائل شویم. دلیل این تفاوت ها در نحوه شکل گیری امواج صوتی نهفته است. هر ساز یا صدایی الگوی موج متمایز خود را ایجاد می کند که بر نحوه شنیدن صدا تأثیر می گذارد.
