الموجة الصوتية هي عملية موجية تحدث في الوسائط الغازية والسائلة والصلبة ، والتي عندما تصل إلى أعضاء السمع البشرية ، ينظر إليها على أنها صوت. يقع تردد هذه الموجات في النطاق من 20 إلى 20000 ذبذبة في الثانية. نعطي الصيغ لموجة صوتية ونأخذ في الاعتبار خصائصها بمزيد من التفصيل.
لماذا توجد موجة صوتية؟
يتساءل الكثير من الناس ما هي الموجة الصوتية. تكمن طبيعة الصوت في حدوث اضطراب في وسط مرن. على سبيل المثال ، عندما يحدث اضطراب في الضغط على شكل ضغط في حجم معين من الهواء ، تميل هذه المنطقة إلى الانتشار في الفضاء. تؤدي هذه العملية إلى ضغط الهواء في المناطق المجاورة للمصدر ، والتي تميل أيضًا إلى التوسع. تغطي هذه العملية المزيد والمزيد من المساحة حتى تصل إلى بعض أجهزة الاستقبال ، على سبيل المثال ، الأذن البشرية.
الخصائص العامة للموجات الصوتية
دعونا نفكر في ماهية الموجة الصوتية وكيف تنظر إليها الأذن البشرية. موجة صوتيةطولية ، عندما تدخل قوقعة الأذن ، تسبب اهتزازات طبلة الأذن بتردد وسعة معينين. يمكنك أيضًا تمثيل هذه التقلبات على أنها تغيرات دورية في الضغط في الحجم الصغير للهواء المجاور للغشاء. أولاً ، يزيد بالنسبة إلى الضغط الجوي الطبيعي ، ثم يتناقص ، وفقًا للقوانين الرياضية للحركة التوافقية. اتساع التغييرات في ضغط الهواء ، أي الفرق بين الضغط الأقصى أو الأدنى الناتج عن الموجة الصوتية ، مع الضغط الجوي يتناسب مع سعة الموجة الصوتية نفسها.
أظهرت العديد من التجارب الفيزيائية أن أقصى ضغط يمكن للأذن البشرية إدراكه دون الإضرار بها هو 2800 N / cm2. للمقارنة ، لنفترض أن الضغط الجوي بالقرب من سطح الأرض هو 10 مليون N / cm2. بالنظر إلى تناسب الضغط وسعة التذبذب ، يمكننا القول أن القيمة الأخيرة غير مهمة حتى بالنسبة لأقوى الموجات. إذا تحدثنا عن طول الموجة الصوتية ، فعند تردد 1000 اهتزاز في الثانية ، سيكون جزءًا من الألف من السنتيمتر.
الأصوات الأضعف تخلق تقلبات ضغط بترتيب 0.001µN / cm2، سعة تذبذب الموجة المقابلة لتردد 1000 هرتز هي 10- 9cm ، في حين أن متوسط قطر جزيئات الهواء هو 10-8سم ، أي أن الأذن البشرية هي عضو حساس للغاية.
مفهوم شدة الموجات الصوتية
مع هندسيةمن وجهة نظر الموجة الصوتية ، إنها اهتزاز من شكل معين ، من وجهة النظر المادية ، الخاصية الرئيسية للموجات الصوتية هي قدرتها على نقل الطاقة. إن أهم مثال على انتقال طاقة الأمواج هو الشمس ، حيث توفر موجاتها الكهرومغناطيسية المشعة الطاقة لكوكبنا بأكمله.
يتم تعريف شدة الموجة الصوتية في الفيزياء على أنها مقدار الطاقة التي تحملها الموجة عبر سطح الوحدة ، والتي تكون متعامدة مع انتشار الموجة ، ولكل وحدة زمنية. باختصار ، شدة الموجة هي قوتها المنقولة عبر منطقة وحدة.
عادة ما تقاس قوة الموجات الصوتية بالديسيبل ، والتي تعتمد على مقياس لوغاريتمي ، مناسب للتحليل العملي للنتائج.
شدة الأصوات المختلفة
مقياس ديسيبل التالي يعطي فكرة عن معنى شدة الصوت المختلفة والأحاسيس التي تسببها:
- يبدأ الحد الأدنى للأحاسيس غير السارة وغير المريحة عند 120 ديسيبل (ديسيبل) ؛
- مطرقة التثبيت تولد ضوضاء 95 ديسيبل ؛
- قطار فائق السرعة - 90 ديسيبل ؛
- شارع المرور - 70 ديسيبل ؛
- حجم المحادثة العادية بين الناس 65 ديسيبل ؛
- سيارة حديثة تتحرك بسرعات معتدلة تولد ضوضاء 50 ديسيبل ؛
- متوسط حجم الراديو - 40 ديسيبل ؛
- محادثة هادئة - 20 ديسيبل ؛
- ضوضاء أوراق الشجر - 10 ديسيبل ؛
- الحد الأدنى لحساسية الصوت البشرية قريب من 0 ديسيبل.
حساسية الأذن البشرية تعتمد علىتردد الصوت وهي القيمة القصوى للموجات الصوتية بتردد 2000-3000 هرتز. بالنسبة للصوت في هذا النطاق الترددي ، فإن الحد الأدنى لحساسية الإنسان هو 10-5ديسيبل. تؤدي الترددات الأعلى والأقل من الفاصل الزمني المحدد إلى زيادة عتبة الحساسية المنخفضة بحيث يسمع الشخص ترددات قريبة من 20 هرتز و 20000 هرتز فقط عند شدتها عدة عشرات من ديسيبل.
بالنسبة للعتبة العليا للشدة ، وبعدها يبدأ الصوت في إحداث إزعاج للإنسان وحتى الألم ، فينبغي القول أنه عمليا لا يعتمد على التردد ويقع في نطاق 110-130 ديسيبل
الخصائص الهندسية للموجة الصوتية
الموجة الصوتية الحقيقية هي حزمة متذبذبة معقدة من الموجات الطولية ، والتي يمكن أن تتحلل إلى اهتزازات توافقية بسيطة. يتم وصف كل تذبذب من وجهة نظر هندسية بالخصائص التالية:
- السعة - أقصى انحراف لكل قسم من الموجة عن التوازن. لهذه القيمة ، التعيين أ
- فترة. هذا هو الوقت الذي تستغرقه موجة بسيطة لإكمال تذبذبها الكامل. بعد هذا الوقت ، تبدأ كل نقطة في الموجة في تكرار عمليتها التذبذبية. عادة ما يتم الإشارة إلى الفترة بالحرف T ويتم قياسها بالثواني في نظام SI.
- التردد. هذه كمية مادية توضح عدد التذبذبات التي تحدثها موجة معينة في الثانية. وهذا يعني ، في معناها ، أنها قيمة معكوسة للدورة.يشار إليه بالحرف اللاتيني f. بالنسبة لتردد الموجة الصوتية ، فإن صيغة تحديدها خلال فترة ما هي كما يلي: f=1 / T.
- طول الموجة هو المسافة التي تقطعها في فترة اهتزاز واحدة. هندسيًا ، الطول الموجي هو المسافة بين أقرب حد أقصى أو اثنين أقرب حد أدنى على منحنى جيبي. طول تذبذب الموجة الصوتية هو المسافة بين أقرب مناطق ضغط الهواء أو أقرب أماكن انتشارها في الفضاء الذي تتحرك فيه الموجة. عادة ما يتم الإشارة إليه بالحرف اليوناني λ.
- سرعة انتشار الموجة الصوتية هي المسافة التي تنتشر خلالها منطقة الضغط أو منطقة خلخلة الموجة لكل وحدة زمنية. يتم الإشارة إلى هذه القيمة بالحرف v. بالنسبة لسرعة الموجة الصوتية ، الصيغة هي: v=λf.
هندسة الموجة الصوتية النقية ، أي موجة من النقاء المستمر ، تخضع لقانون الجيب. في الحالة العامة ، صيغة الموجة الصوتية هي: y=Asin (ωt) ، حيث y هي قيمة إحداثي نقطة معينة من الموجة ، t هي الوقت ، ω=2pif هي تردد التذبذب الدوري
صوت غير دوري
يمكن اعتبار العديد من مصادر الصوت دورية ، على سبيل المثال ، الصوت من الآلات الموسيقية مثل الجيتار والبيانو والناي ، ولكن هناك أيضًا عدد كبير من الأصوات في الطبيعة غير دورية ، أي تتغير اهتزازات الصوت ترددها وشكلها في الفضاء. من الناحية الفنية ، يسمى هذا النوع من الصوت الضوضاء. مشرقومن الأمثلة على الأصوات غير الدورية الضوضاء الحضرية ، وصوت البحر ، والأصوات الصادرة من آلات الإيقاع ، مثل الطبل ، وغيرها.
وسيط انتشار الصوت
على عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الذي لا تحتاج فوتوناته إلى أي وسيط مادي لانتشارها ، فإن طبيعة الصوت تتطلب وسيطًا معينًا لانتشاره ، أي وفقًا لقوانين الفيزياء ، لا يمكن للموجات الصوتية تنتشر في الفراغ
يمكن للصوت أن ينتقل عبر الغازات والسوائل والمواد الصلبة. الخصائص الرئيسية للموجة الصوتية المنتشرة في وسط هي كما يلي:
- موجة تنتشر خطيًا ؛
- ينتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات في وسط متجانس ، أي أن الصوت ينحرف عن المصدر ، ويشكل سطحًا كرويًا مثاليًا.
- بغض النظر عن سعة الصوت وتردده ، تنتشر موجاته بنفس السرعة في وسط معين.
سرعة الموجات الصوتية في مختلف الوسائط
تعتمد سرعة انتشار الصوت على عاملين رئيسيين: الوسط الذي تتحرك فيه الموجة ودرجة الحرارة. بشكل عام ، تطبق القاعدة التالية: كلما زادت كثافة الوسط ، وكلما ارتفعت درجة حرارته ، كان الصوت يتحرك فيه بشكل أسرع.
على سبيل المثال ، سرعة انتشار الموجة الصوتية في الهواء بالقرب من سطح الأرض عند درجة حرارة 20 ℃ والرطوبة بنسبة 50٪ هي 1235 كم / ساعة أو 343 م / ث. في الماء عند درجة حرارة معينة ، ينتقل الصوت 4.5 مرة أسرعيوجد حوالي 5735 كم / س أو 1600 م / ث. أما بالنسبة لاعتماد سرعة الصوت على درجة حرارة الهواء فيزداد بمقدار 0.6 م / ث مع زيادة درجة الحرارة لكل درجة مئوية.
تمبر و نغمة
إذا سمح لسلسلة أو لوحة معدنية بالاهتزاز بحرية ، فإنها ستصدر أصواتًا بترددات مختلفة. من النادر جدًا العثور على جسم يصدر صوتًا بتردد معين ، وعادة ما يكون لصوت الجسم مجموعة من الترددات في فترة زمنية معينة.
يتم تحديد جرس الصوت من خلال عدد التوافقيات الموجودة فيه وشدة كل منها. Timbre هي قيمة ذاتية ، أي إدراك كائن يبدو من قبل شخص معين. يتميز تمبر عادة بالصفات التالية: عالي ، متألق ، رنان ، لحني ، وهكذا.
النغمة هي إحساس صوتي يسمح بتصنيفها على أنها عالية أو منخفضة. هذه القيمة هي أيضًا ذاتية ولا يمكن قياسها بواسطة أي أداة. ترتبط النغمة بكمية موضوعية - تردد الموجة الصوتية ، لكن لا توجد علاقة واضحة بينهما. على سبيل المثال ، بالنسبة للصوت أحادي التردد ذي الشدة الثابتة ، ترتفع النغمة مع زيادة التردد. إذا ظل تردد الصوت ثابتًا وزادت حدته ، تنخفض النغمة.
شكل مصادر الصوت
وفقًا لشكل الجسم الذي يهتز ميكانيكيًا وبالتالي يولد الصوت ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مصادر الموجات الصوتية:
- مصدر نقطة. ينتج موجات صوتية كروية الشكل وتتلاشى بسرعة مع المسافة من المصدر (حوالي 6 ديسيبل إذا تضاعفت المسافة من المصدر).
- مصدر الخط. يخلق موجات أسطوانية تنخفض شدتها بشكل أبطأ من مصدر نقطة (لكل مضاعفة المسافة من المصدر ، تنخفض الشدة بمقدار 3 ديسيبل).
- مصدر مسطح أو ثنائي الأبعاد. يولد موجات فقط في اتجاه معين. مثال على هذا المصدر سيكون مكبسًا يتحرك في أسطوانة.
مصادر الصوت الإلكترونية
لإنشاء موجة صوتية ، تستخدم المصادر الإلكترونية غشاءًا خاصًا (مكبر صوت) ، والذي يقوم بعمل اهتزازات ميكانيكية بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. تشمل هذه المصادر ما يلي:
- مشغلات لأقراص مختلفة (CD و DVD وغيرها) ؛
- مسجلات كاسيت ؛
- أجهزة راديو ؛
- تلفزيونات و البعض الآخر
