چه امواج صوتی. چرا یک موج صوتی ظاهر می شود؟ صدای صوتی از اعماق

صدا امواج صوتی است که باعث ارتعاش ذرات ریز هوا، سایر گازها و محیط های مایع و جامد می شود. صدا فقط در جایی می تواند بوجود بیاید که ماده ای وجود داشته باشد، صرف نظر از اینکه در چه حالتی از تجمع باشد. در شرایط خلاء، جایی که هیچ رسانه ای وجود ندارد، صدا منتشر نمی شود، زیرا هیچ ذره ای وجود ندارد که به عنوان توزیع کننده امواج صوتی عمل کند. مثلا در فضا. صدا را می توان تغییر داد، تغییر داد و به اشکال دیگر انرژی تبدیل شد. بنابراین، صدای تبدیل شده به امواج رادیویی یا انرژی الکتریکی را می توان در فواصل دور منتقل کرد و در رسانه های اطلاعاتی ضبط کرد.

موج صوتی

حرکات اجسام و اجسام تقریباً همیشه باعث نوساناتی در محیط می شود. فرقی نمی کند آب باشد یا هوا. در طی این فرآیند، ذرات محیطی که ارتعاشات بدن به آن منتقل می شود نیز شروع به ارتعاش می کنند. امواج صوتی به وجود می آیند. علاوه بر این، حرکات در جهت جلو و عقب انجام می شود و به تدریج جایگزین یکدیگر می شوند. بنابراین موج صوتی طولی است. هرگز حرکت جانبی بالا و پایین در آن وجود ندارد.

ویژگی های امواج صوتی

مانند هر پدیده فیزیکی، آنها کمیت های خاص خود را دارند که با کمک آنها می توان خواص را توصیف کرد. ویژگی اصلی یک موج صوتی فرکانس و دامنه آن است. مقدار اول نشان می دهد که در هر ثانیه چند موج تشکیل می شود. دومی قدرت موج را تعیین می کند. صداهای با فرکانس پایین دارای مقادیر فرکانس پایین هستند و بالعکس. فرکانس صدا بر حسب هرتز اندازه گیری می شود و اگر از 20000 هرتز بیشتر شود، اولتراسوند رخ می دهد. نمونه های زیادی از صداهای با فرکانس پایین و فرکانس بالا در طبیعت و دنیای اطراف ما وجود دارد. صدای جیک بلبل، غرش رعد، غرش یک رودخانه کوهستانی و غیره، همه فرکانس های صوتی متفاوتی هستند. دامنه موج مستقیماً به میزان بلندی صدا بستگی دارد. ولوم نیز به نوبه خود با فاصله گرفتن از منبع صدا کاهش می یابد. بر این اساس، هر چه موج از کانون زلزله دورتر باشد، دامنه آن کمتر است. به عبارت دیگر، دامنه موج صوتی با فاصله گرفتن از منبع صدا کاهش می یابد.

سرعت صدا

این نشانگر موج صوتی مستقیماً به ماهیت محیطی که در آن منتشر می شود بستگی دارد. در اینجا هم رطوبت و هم دمای هوا نقش بسزایی دارند. در شرایط آب و هوایی متوسط، سرعت صوت تقریباً 340 متر بر ثانیه است. در فیزیک چیزی به نام سرعت مافوق صوت وجود دارد که همیشه از سرعت صوت بیشتر است. این سرعتی است که امواج صوتی هنگام حرکت هواپیما با آن حرکت می کنند. هواپیما با سرعت مافوق صوت حرکت می کند و حتی از امواج صوتی که ایجاد می کند نیز پیشی می گیرد. به دلیل افزایش تدریجی فشار در پشت هواپیما، موج ضربه ای از صدا ایجاد می شود. واحد اندازه گیری این سرعت جالب است و افراد کمی آن را می دانند. ماخ نام دارد. 1 ماخ برابر است با سرعت صوت. اگر موجی با سرعت 2 ماخ حرکت کند، دو برابر سرعت صوت حرکت می کند.

صداها

سر و صدای دائمی در زندگی روزمره انسان وجود دارد. سطح نویز بر حسب دسی بل اندازه گیری می شود. حرکت ماشین ها، باد، خش خش برگ ها، در هم تنیده شدن صدای مردم و سایر صداهای صوتی، همراهان روزمره ما هستند. اما آنالایزر شنوایی انسان این توانایی را دارد که به چنین نویزهایی عادت کند. با این حال، پدیده هایی نیز وجود دارد که حتی توانایی های انطباقی گوش انسان نیز نمی تواند با آنها مقابله کند. به عنوان مثال، صدای بیش از 120 دسی بل می تواند باعث درد شود. پر سر و صداترین حیوان نهنگ آبی است. وقتی صدا تولید می کند، در فاصله 800 کیلومتری شنیده می شود.

اکو

اکو چگونه رخ می دهد؟ اینجا همه چیز خیلی ساده است. یک موج صوتی این قابلیت را دارد که از سطوح مختلف منعکس شود: از آب، از سنگ، از دیوارهای یک اتاق خالی. این موج به ما باز می گردد، بنابراین صدای ثانویه را می شنویم. به اندازه نمونه اصلی واضح نیست زیرا مقداری از انرژی موجود در موج صوتی هنگام حرکت به سمت مانع از بین می رود.

اکولوکیشن

انعکاس صدا برای اهداف عملی مختلف استفاده می شود. به عنوان مثال، پژواک. بر اساس این واقعیت است که با کمک امواج مافوق صوت می توان فاصله تا جسمی را که این امواج از آن منعکس می شوند تعیین کرد. محاسبات با اندازه گیری زمان لازم برای سفر اولتراسوند به یک مکان و بازگشت انجام می شود. بسیاری از حیوانات توانایی اکولوکاسیون را دارند. به عنوان مثال، خفاش ها و دلفین ها از آن برای جستجوی غذا استفاده می کنند. Echolocation کاربرد دیگری در پزشکی پیدا کرده است. در طول معاینه اولتراسوند، تصویری از اندام های داخلی فرد تشکیل می شود. اساس این روش این است که اولتراسوند با ورود به محیطی غیر از هوا، به عقب باز می گردد و در نتیجه یک تصویر تشکیل می شود.

امواج صوتی در موسیقی

چرا آلات موسیقی صداهای خاصی تولید می کنند؟ نواختن گیتار، نواختن پیانو، صدای کم درام و ترومپت، صدای نازک جذاب فلوت. همه این صداها و بسیاری صداهای دیگر به دلیل ارتعاشات هوا یا به عبارت دیگر به دلیل ظهور امواج صوتی به وجود می آیند. اما چرا صدای آلات موسیقی اینقدر متنوع است؟ معلوم می شود که این به عوامل مختلفی بستگی دارد. اولی شکل ابزار است، دومی ماده ای است که از آن ساخته شده است.

بیایید با استفاده از سازهای زهی به عنوان مثال به این موضوع نگاه کنیم. با لمس سیم ها به منبع صدا تبدیل می شوند. در نتیجه شروع به ارتعاش می کنند و صداهای مختلفی را به محیط می فرستند. صدای کم هر ساز زهی به دلیل ضخامت و طول بیشتر سیم و همچنین ضعف کشش آن است. و بالعکس، هرچه سیم محکمتر کشیده شود، نازکتر و کوتاهتر باشد، صدایی که در اثر نواختن به دست می آید بالاتر می رود.

عملکرد میکروفون

مبتنی بر تبدیل انرژی موج صوتی به انرژی الکتریکی است. در این حالت، قدرت فعلی و ماهیت صدا به طور مستقیم وابسته است. در داخل هر میکروفون یک صفحه نازک از فلز وجود دارد. هنگامی که در معرض صدا قرار می گیرد، شروع به انجام حرکات نوسانی می کند. مارپیچی که صفحه به آن متصل است نیز می لرزد و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می شود. چرا او ظاهر می شود؟ این به این دلیل است که میکروفون دارای آهنرباهای داخلی نیز می باشد. هنگامی که مارپیچ بین قطب های خود نوسان می کند، جریان الکتریکی ایجاد می شود که در امتداد مارپیچ و سپس به ستون صدا (بلندگو) یا تجهیزات ضبط بر روی یک رسانه اطلاعاتی (کاست، دیسک، کامپیوتر) می رود. به هر حال، میکروفون موجود در گوشی نیز ساختاری مشابه دارد. اما میکروفون ها در تلفن ثابت و تلفن همراه چگونه کار می کنند؟ مرحله اولیه برای آنها یکسان است - صدای صدای انسان ارتعاشات خود را به صفحه میکروفون منتقل می کند، سپس همه چیز از سناریویی که در بالا توضیح داده شد پیروی می کند: یک مارپیچ که هنگام حرکت دو قطب را می بندد، جریانی ایجاد می شود. بعدش چی؟ با تلفن ثابت، همه چیز کم و بیش واضح است - درست مانند میکروفون، صدا که به جریان الکتریکی تبدیل می شود، از سیم ها عبور می کند. اما در مورد تلفن همراه یا به عنوان مثال یک دستگاه واکی تاکی چطور؟ در این موارد صدا به انرژی امواج رادیویی تبدیل شده و به ماهواره برخورد می کند. همین.

پدیده رزونانس

گاهی اوقات شرایطی ایجاد می شود که دامنه ارتعاشات بدن فیزیکی به شدت افزایش می یابد. این به دلیل همگرایی مقادیر فرکانس نوسانات اجباری و فرکانس طبیعی نوسانات جسم (بدن) رخ می دهد. رزونانس می تواند هم مفید و هم مضر باشد. مثلاً برای بیرون آوردن خودرو از سوراخ، آن را استارت می زنند و به جلو و عقب هل می دهند تا رزونانس ایجاد کند و به خودرو اینرسی بدهد. اما مواردی از پیامدهای منفی رزونانس نیز وجود داشته است. به عنوان مثال، در سن پترزبورگ، حدود صد سال پیش، یک پل زیر سربازانی که یکپارچه راهپیمایی می کردند فرو ریخت.

این درس مبحث "امواج صوتی" را پوشش می دهد. در این درس به مطالعه آکوستیک ادامه خواهیم داد. ابتدا تعریف امواج صوتی را تکرار می کنیم سپس محدوده فرکانسی آنها را در نظر می گیریم و با مفهوم امواج فراصوت و مادون صوت آشنا می شویم. همچنین در مورد خواص امواج صوتی در رسانه های مختلف بحث خواهیم کرد و خواهیم آموخت که چه ویژگی هایی دارد. .

امواج صوتی -اینها ارتعاشات مکانیکی هستند که با انتشار و تعامل با اندام شنوایی توسط شخص درک می شوند (شکل 1).

برنج. 1. موج صوتی

شاخه ای از فیزیک که به این امواج می پردازد آکوستیک نام دارد. حرفه افرادی که به آنها "شنونده" می گویند، آکوستیک است. موج صوتی موجی است که در یک محیط کشسان منتشر می شود، یک موج طولی است و هنگامی که در یک محیط کشسان منتشر می شود، فشرده سازی و تخلیه متناوب می شود. در طول زمان و در مسافتی منتقل می شود (شکل 2).

برنج. 2. انتشار امواج صوتی

امواج صوتی شامل ارتعاشاتی است که با فرکانس 20 تا 20000 هرتز رخ می دهد. برای این فرکانس ها، طول موج های مربوطه 17 متر (برای 20 هرتز) و 17 میلی متر (برای 20000 هرتز) است. این محدوده را صدای شنیدنی می نامند. این طول موج ها برای هوا داده می شود که سرعت صوت در آن برابر با .

همچنین طیف هایی وجود دارد که آکوستیک ها با آنها سروکار دارند - مادون صوت و اولتراسونیک. Infrasonic آنهایی هستند که فرکانس کمتر از 20 هرتز دارند. و اولتراسونیک آنهایی هستند که فرکانس بیش از 20000 هرتز دارند (شکل 3).

برنج. 3. محدوده امواج صوتی

هر فرد تحصیل کرده ای باید با محدوده فرکانسی امواج صوتی آشنا باشد و بداند که اگر برای سونوگرافی مراجعه کند، تصویر روی صفحه کامپیوتر با فرکانس بیش از 20000 هرتز ساخته می شود.

سونوگرافی -این امواج مکانیکی مشابه امواج صوتی هستند، اما با فرکانس 20 کیلوهرتز تا یک میلیارد هرتز.

امواج با فرکانس بیش از یک میلیارد هرتز نامیده می شوند فراصوت.

سونوگرافی برای تشخیص عیوب در قطعات ریختگی استفاده می شود. جریانی از سیگنال های اولتراسونیک کوتاه به قسمت مورد آزمایش هدایت می شود. در مکان هایی که هیچ نقصی وجود ندارد، سیگنال ها بدون ثبت توسط گیرنده از قطعه عبور می کنند.

اگر ترک، حفره هوا یا ناهمگنی دیگری در قطعه وجود داشته باشد، سیگنال اولتراسونیک از آن منعکس می شود و با بازگشت، وارد گیرنده می شود. این روش نامیده می شود تشخیص نقص اولتراسونیک.

نمونه های دیگر از کاربردهای اولتراسوند دستگاه های اولتراسوند، دستگاه های اولتراسوند، سونوگرافی درمانی هستند.

مادون صوت –امواج مکانیکی مشابه امواج صوتی، اما با فرکانس کمتر از 20 هرتز. آنها توسط گوش انسان درک نمی شوند.

منابع طبیعی امواج فروصوت طوفان، سونامی، زلزله، طوفان، فوران های آتشفشانی و رعد و برق هستند.

امواج فروصوت نیز یک موج مهم است که برای ارتعاش سطح (مثلاً برای از بین بردن برخی اجسام بزرگ) استفاده می شود. ما امواج فروصوت را به داخل خاک راه اندازی می کنیم - و خاک تجزیه می شود. این کجا استفاده می شود؟ به عنوان مثال، در معادن الماس، جایی که سنگ معدنی حاوی اجزای الماس را می گیرند و آن را به ذرات کوچک خرد می کنند تا این اجزاء الماس را پیدا کنند (شکل 4).

برنج. 4. کاربرد مادون صوت

سرعت صوت به شرایط محیطی و دما بستگی دارد (شکل 5).

برنج. 5. سرعت انتشار امواج صوتی در رسانه های مختلف

لطفا توجه داشته باشید: در هوا سرعت صوت در برابر است و در , سرعت به میزان . اگر شما یک محقق هستید، پس این دانش ممکن است برای شما مفید باشد. حتی ممکن است نوعی سنسور دما را بسازید که با تغییر سرعت صدا در محیط، تفاوت دما را ثبت کند. ما قبلاً می دانیم که هر چه محیط متراکم تر باشد، هر چه تعامل بین ذرات محیط جدی تر باشد، موج سریعتر منتشر می شود. در پاراگراف آخر با استفاده از مثال هوای خشک و هوای مرطوب در این مورد بحث کردیم. برای آب، سرعت انتشار صوت برابر است با . اگر یک موج صوتی ایجاد کنید (به یک چنگال تنظیم ضربه بزنید)، سرعت انتشار آن در آب 4 برابر بیشتر از هوا خواهد بود. از طریق آب، اطلاعات 4 برابر سریعتر از هوا خواهد رسید. و در فولاد حتی سریعتر است: (شکل 6).

برنج. 6. سرعت انتشار امواج صوتی

شما از حماسه هایی که ایلیا مورومتس استفاده کرد (و همه قهرمانان و مردم و پسران معمولی روسی از RVS Gaidar) از روش بسیار جالبی برای تشخیص شیئی استفاده کردند که در حال نزدیک شدن است، اما هنوز دور است. صدایی که هنگام حرکت می دهد هنوز شنیده نمی شود. ایلیا مورومتس، با گوش به زمین، می تواند او را بشنود. چرا؟ زیرا صدا با سرعت بیشتری از روی زمین جامد منتقل می شود، به این معنی که سریعتر به گوش ایلیا مورومتس می رسد و او می تواند برای رویارویی با دشمن آماده شود.

جالب ترین امواج صوتی صداها و نویزهای موسیقی هستند. چه اجسامی می توانند امواج صوتی ایجاد کنند؟ اگر یک منبع موج و یک محیط الاستیک را در نظر بگیریم، اگر منبع صدا را به صورت هماهنگ به ارتعاش در آوریم، در این صورت یک موج صوتی فوق العاده خواهیم داشت که به آن صدای موسیقی می گویند. این منابع امواج صوتی می تواند به عنوان مثال سیم های یک گیتار یا پیانو باشد. این ممکن است یک موج صوتی باشد که در شکاف هوای لوله (ارگان یا لوله) ایجاد می شود. از درس های موسیقی، نت ها را می شناسید: do، re، mi، fa، sol، la، si. در آکوستیک به آنها تن می گویند (شکل 7).

برنج. 7. آهنگ های موسیقی

همه مواردی که می توانند صدا ساطع کنند دارای ویژگی هایی خواهند بود. اونها چجوری متفاوت هستن؟ آنها در طول موج و فرکانس متفاوت هستند. اگر این امواج صوتی توسط اجسام موزون صدا ایجاد نشوند و یا به نوعی قطعه ارکستری مشترک متصل نباشند، آنگاه به چنین حجمی از صداها نویز می گویند.

سر و صدا- نوسانات تصادفی از ماهیت های فیزیکی مختلف که با پیچیدگی ساختار زمانی و طیفی آنها مشخص می شود. مفهوم نویز هم خانگی و هم فیزیکی است که بسیار شبیه هم هستند و به همین دلیل آن را به عنوان یک موضوع مهم جداگانه برای بررسی معرفی می کنیم.

بیایید به تخمین های کمی امواج صوتی برویم. ویژگی های امواج صوتی موسیقی چیست؟ این ویژگی ها منحصراً برای ارتعاشات صوتی هارمونیک اعمال می شود. بنابراین، حجم صدا. چه چیزی حجم صدا را تعیین می کند؟ اجازه دهید انتشار یک موج صوتی در زمان یا نوسانات منبع موج صوتی را در نظر بگیریم (شکل 8).

برنج. 8. حجم صدا

در عین حال، اگر صدای زیادی به سیستم اضافه نکنیم (مثلاً یک کلید پیانو را بی صدا بزنیم)، صدای آرامی وجود خواهد داشت. اگر با صدای بلند دستمان را بالا ببریم با زدن کلید این صدا را ایجاد کنیم صدای بلندی می گیریم. این به چه چیزی بستگی دارد؟ صداهای آرام لرزش کمتری نسبت به صداهای بلند دارند.

ویژگی مهم بعدی صدای موسیقی و هر چیز دیگری است ارتفاع. زیر و بم صدا به چه چیزی بستگی دارد؟ ارتفاع به فرکانس بستگی دارد. می‌توانیم منبع را به طور مکرر نوسان کنیم، یا می‌توانیم کاری کنیم که خیلی سریع نوسان نکند (یعنی نوسانات کمتری در واحد زمان انجام دهیم). بیایید حرکت زمانی صدای کم و زیاد با دامنه یکسان را در نظر بگیریم (شکل 9).

برنج. 9. زمین

نتیجه جالبی می توان گرفت. اگر فردی با صدای بم آواز بخواند، منبع صدای او (تارهای صوتی) چندین برابر آهسته تر از فردی که سوپرانو می خواند می لرزد. در حالت دوم، تارهای صوتی بیشتر مرتعش می شوند و بنابراین اغلب باعث ایجاد حفره های فشرده سازی و تخلیه در انتشار موج می شوند.

ویژگی جالب دیگری برای امواج صوتی وجود دارد که فیزیکدانان آن را مطالعه نمی کنند. این تن صدا. شما همان قطعه موسیقی اجرا شده با بالالایکا یا ویولن سل را می شناسید و به راحتی تشخیص می دهید. این صداها یا این اجرا چگونه متفاوت هستند؟ در ابتدای آزمایش از افرادی که صداهایی تولید می کنند خواستیم که آنها را با دامنه تقریباً یکسانی بسازند تا حجم صدا یکسان باشد. مانند ارکستر: اگر نیازی به برجسته کردن هیچ ساز نباشد، همه تقریباً یکسان و با قدرت یکسان می نوازند. بنابراین صدای بالالایکا و ویولن سل متفاوت است. اگر بخواهیم صدای تولید شده از یک ساز را از ساز دیگر با استفاده از نمودارها ترسیم کنیم، آنها یکسان خواهند بود. اما به راحتی می توانید این سازها را با صدایشان تشخیص دهید.

نمونه دیگری از اهمیت تامبر. دو خواننده را تصور کنید که با یک معلم از یک دانشگاه موسیقی فارغ التحصیل می شوند. آنها به همان اندازه خوب مطالعه کردند، با A مستقیم. به دلایلی، یکی به یک مجری برجسته تبدیل می شود، در حالی که دیگری در تمام زندگی خود از حرفه خود ناراضی است. در واقع، این تنها توسط ساز آنها تعیین می شود که باعث ایجاد ارتعاشات صوتی در محیط می شود، یعنی صدای آنها از نظر تایم متفاوت است.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. سوکولوویچ یو.آ.، بوگدانوا جی.اس. فیزیک: کتاب مرجع با مثال هایی از حل مسئله. - پارتیشن مجدد نسخه 2. - X.: وستا: انتشارات "رانوک"، 1384. - 464 ص.
2. Peryshkin A.V.، Gutnik E.M.، فیزیک. پایه نهم: کتاب درسی آموزش عمومی. مؤسسات/A.V. پریشکین، ای.ام. گوتنیک. - ویرایش چهاردهم، کلیشه. - M.: Bustard, 2009. - 300 p.

1. پورتال اینترنتی “eduspb.com” ()
2. پورتال اینترنتی "msk.edu.ua" ()
3. پورتال اینترنتی "class-fizika.narod.ru" ()

مشق شب

1. صدا چگونه سفر می کند؟ منبع صدا چه چیزی می تواند باشد؟
2. آیا صدا می تواند در فضا حرکت کند؟
3. آیا هر موجی که به اندام شنوایی انسان می رسد توسط او درک می شود؟

18 فوریه 2016

دنیای سرگرمی های خانگی بسیار متنوع است و می تواند شامل موارد زیر باشد: تماشای فیلم در یک سیستم سینمای خانگی خوب. گیم پلی هیجان انگیز و هیجان انگیز یا گوش دادن به موسیقی. به عنوان یک قاعده، هر کس چیزی برای خود در این زمینه پیدا می کند، یا همه چیز را به یکباره ترکیب می کند. اما اهداف فرد برای سازماندهی اوقات فراغت خود و هر افراطی که باشد، همه این پیوندها با یک کلمه ساده و قابل درک - "صدا" به طور محکم به هم مرتبط هستند. در واقع، در تمام موارد فوق، ما با دست توسط صدا هدایت می شویم. اما این سوال چندان ساده و پیش پا افتاده نیست، به خصوص در مواردی که تمایل به دستیابی به صدای با کیفیت بالا در یک اتاق یا هر شرایط دیگری وجود دارد. برای انجام این کار، همیشه نیازی به خرید قطعات گران قیمت hi-fi یا hi-end نیست (اگرچه بسیار مفید خواهد بود)، اما دانش کافی از تئوری فیزیکی کافی است که می تواند بسیاری از مشکلاتی را که برای هر کسی ایجاد می شود برطرف کند. که قصد دارد صداگذاری با کیفیت بالا را به دست آورد.

در ادامه، نظریه صوت و آکوستیک از دیدگاه فیزیک مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در این مورد، من سعی خواهم کرد تا حد ممکن این را برای درک هر فردی که شاید از دانستن قوانین یا فرمول های فیزیکی دور است، اما با این وجود مشتاقانه رویای تحقق رویای ایجاد یک سیستم صوتی کامل را در سر می پروراند، در دسترس قرار دهم. تصور نمی کنم بگویم برای دستیابی به نتایج خوب در این زمینه در خانه (یا مثلاً در ماشین)، باید این تئوری ها را به طور کامل بدانید، اما درک اصول اولیه به شما امکان می دهد از بسیاری از اشتباهات احمقانه و پوچ اجتناب کنید. و همچنین به شما این امکان را می دهد که حداکثر جلوه صوتی را از سیستم در هر سطحی بدست آورید.

نظریه عمومی صدا و اصطلاحات موسیقی

چیست؟ صدا? این حسی است که اندام شنوایی درک می کند "گوش"(این پدیده بدون مشارکت "گوش" در فرآیند وجود دارد، اما درک آن آسان تر است)، که زمانی رخ می دهد که پرده گوش توسط یک موج صوتی برانگیخته شود. گوش در این مورد به عنوان "دریافت کننده" امواج صوتی با فرکانس های مختلف عمل می کند.
موج صوتیاساساً مجموعه‌ای متوالی از تراکم‌ها و تخلیه‌های محیط (اغلب محیط هوا در شرایط عادی) با فرکانس‌های مختلف است. ماهیت امواج صوتی نوسانی است که در اثر ارتعاش هر جسمی ایجاد و تولید می شود. ظهور و انتشار یک موج صوتی کلاسیک در سه محیط الاستیک گاز، مایع و جامد امکان پذیر است. هنگامی که یک موج صوتی در یکی از این نوع فضاها رخ می دهد، ناگزیر تغییراتی در خود محیط رخ می دهد، به عنوان مثال، تغییر در چگالی یا فشار هوا، حرکت ذرات توده هوا و غیره.

از آنجایی که یک موج صوتی ماهیت نوسانی دارد، دارای ویژگی هایی مانند فرکانس است. فرکانسبا هرتز اندازه گیری می شود (به افتخار فیزیکدان آلمانی هاینریش رودولف هرتز)، و تعداد نوسانات را در یک بازه زمانی برابر با یک ثانیه نشان می دهد. آن ها به عنوان مثال، فرکانس 20 هرتز نشان دهنده چرخه 20 نوسان در یک ثانیه است. مفهوم ذهنی ارتفاع آن نیز به فرکانس صدا بستگی دارد. هر چه ارتعاشات صوتی در هر ثانیه بیشتر باشد، صدا "بالاتر" ظاهر می شود. موج صوتی یک ویژگی مهم دیگر نیز دارد که نام دارد - طول موج. طول موجمرسوم است که مسافتی را که صدایی با فرکانس معین در بازه ای معادل یک ثانیه طی می کند در نظر بگیریم. به عنوان مثال، طول موج کمترین صدا در محدوده قابل شنیدن انسان در 20 هرتز 16.5 متر و طول موج بالاترین صدا در 20000 هرتز 1.7 سانتی متر است.

گوش انسان به گونه ای طراحی شده است که قادر است امواج را فقط در یک محدوده محدود، تقریباً 20 هرتز تا 20000 هرتز درک کند (بسته به ویژگی های یک فرد خاص، برخی می توانند کمی بیشتر بشنوند، برخی کمتر). . بنابراین، این بدان معنا نیست که صداهای زیر یا بالاتر از این فرکانس ها وجود ندارند، آنها به سادگی توسط گوش انسان درک نمی شوند و فراتر از محدوده قابل شنیدن هستند. صدای بالاتر از محدوده قابل شنیدن نامیده می شود سونوگرافی، صدای زیر محدوده شنیداری نامیده می شود مادون صوت. برخی از حیوانات قادر به درک صداهای اولترا و مادون هستند، برخی حتی از این محدوده برای جهت گیری در فضا استفاده می کنند (خفاش ها، دلفین ها). اگر صدا از محیطی عبور کند که در تماس مستقیم با اندام شنوایی انسان نباشد، ممکن است چنین صدایی شنیده نشود یا متعاقباً به شدت ضعیف شود.

در اصطلاح موسیقایی صدا، عناوین مهمی مانند اکتاو، تن و تون صدا وجود دارد. اکتاوبه معنای فاصله ای است که در آن نسبت فرکانس بین صداها 1 به 2 است. یک اکتاو معمولاً با گوش بسیار قابل تشخیص است، در حالی که صداهای داخل این فاصله می توانند بسیار شبیه به یکدیگر باشند. یک اکتاو را می توان صدایی نامید که دو برابر صدای دیگر در یک بازه زمانی ارتعاش دارد. به عنوان مثال، فرکانس 800 هرتز چیزی بیش از یک اکتاو بالاتر 400 هرتز نیست و فرکانس 400 هرتز به نوبه خود اکتاو بعدی صدا با فرکانس 200 هرتز است. اکتاو به نوبه خود از تون ها و تون ها تشکیل شده است. ارتعاشات متغیر در یک موج صوتی هارمونیک با فرکانس یکسان توسط گوش انسان به عنوان لحن موسیقی. ارتعاشات فرکانس بالا را می توان به عنوان صداهای با صدای بلند تفسیر کرد، در حالی که ارتعاشات فرکانس پایین را می توان به عنوان صداهای با صدای پایین تفسیر کرد. گوش انسان قادر است صداها را با اختلاف یک تن (در محدوده حداکثر 4000 هرتز) به وضوح تشخیص دهد. با وجود این، موسیقی از تعداد بسیار کمی از آهنگ ها استفاده می کند. این از ملاحظات اصل همخوانی هارمونیک توضیح داده شده است؛ همه چیز بر اساس اصل اکتاو است.

بیایید تئوری آهنگ های موسیقی را با استفاده از مثال یک سیم کشیده شده به روش خاصی در نظر بگیریم. چنین رشته ای بسته به نیروی کشش، به یک فرکانس خاص "کوک" می شود. هنگامی که این سیم با یک نیروی خاص در معرض چیزی قرار می گیرد که باعث ارتعاش آن می شود، یک تن صدای خاص به طور مداوم مشاهده می شود و فرکانس تنظیم مورد نظر را می شنویم. به این صدا لحن بنیادی می گویند. فرکانس نت "A" اکتاو اول رسماً به عنوان لحن اساسی در زمینه موسیقی برابر با 440 هرتز پذیرفته شده است. با این حال، اکثر آلات موسیقی هرگز به تنهایی صداهای بنیادی خالص را بازتولید نمی کنند، آنها ناگزیر با اهنگ هایی به نام همراه هستند. نت همساز. در اینجا مناسب است که تعریف مهمی از آکوستیک موسیقی، مفهوم تن صدا را یادآوری کنیم. تایمبر- این ویژگی صداهای موسیقی است که به آلات موسیقی و صداها ویژگی منحصر به فرد و قابل تشخیص صدا را می دهد، حتی در هنگام مقایسه صداهایی با زیر و بم و حجم یکسان. تن صدای هر آلات موسیقی به توزیع انرژی صوتی بین تون ها در لحظه ظاهر شدن صدا بستگی دارد.

اورتون ها رنگ خاصی از لحن اصلی را تشکیل می دهند که به وسیله آن می توانیم به راحتی یک ساز خاص را شناسایی و تشخیص دهیم و همچنین صدای آن را به وضوح از ساز دیگر تشخیص دهیم. دو نوع تون وجود دارد: هارمونیک و غیر هارمونیک. رنگ های هارمونیکطبق تعریف مضربی از فرکانس اساسی هستند. برعکس، اگر تون ها چند برابر نباشند و به طور محسوسی از مقادیر انحراف داشته باشند، آن ها نامیده می شوند. غیر هارمونیک. در موسیقی، کار با تون های متعدد عملاً کنار گذاشته شده است، بنابراین این اصطلاح به مفهوم "Overtone" به معنای هارمونیک کاهش می یابد. برای برخی از سازها، مانند پیانو، لحن اصلی حتی زمان تشکیل را ندارد؛ در مدت زمان کوتاهی، انرژی صوتی اهنگ ها افزایش می یابد و سپس به همان سرعت کاهش می یابد. بسیاری از سازها چیزی را ایجاد می کنند که به آن افکت "تن انتقالی" می گویند، که در آن انرژی تون های خاص در یک نقطه خاص از زمان، معمولاً در همان ابتدا، بالاترین میزان است، اما سپس به طور ناگهانی تغییر می کند و به تون های دیگر می رود. محدوده فرکانس هر ساز را می توان به طور جداگانه در نظر گرفت و معمولاً محدود به فرکانس های اساسی است که آن ابزار خاص قادر به تولید آن است.

در تئوری صدا نیز مفهومی مانند NOISE وجود دارد. سر و صدا- هر صدایی است که از ترکیبی از منابع ناسازگار با یکدیگر ایجاد می شود. همه با صدای تکان خوردن برگ درختان در برابر باد و ... آشنا هستند.

چه چیزی حجم صدا را تعیین می کند؟بدیهی است که چنین پدیده ای مستقیماً به میزان انرژی منتقل شده توسط موج صوتی بستگی دارد. برای تعیین شاخص های کمی بلندی صدا، مفهومی وجود دارد - شدت صدا. شدت صدابه عنوان جریان انرژی که از ناحیه ای از فضا (مثلاً سانتی متر مربع) در واحد زمان (مثلاً در ثانیه) عبور می کند، تعریف می شود. در طول مکالمه معمولی، شدت آن تقریباً 9 یا 10 W/cm2 است. گوش انسان قادر به درک صداها در طیف نسبتاً وسیعی از حساسیت است، در حالی که حساسیت فرکانس ها در طیف صدا ناهمگن است. به این ترتیب، محدوده فرکانس 1000 هرتز - 4000 هرتز، که به طور گسترده ای گفتار انسان را پوشش می دهد، به بهترین وجه درک می شود.

از آنجایی که صداها از نظر شدت بسیار متفاوت هستند، راحت تر است که آن را به عنوان یک کمیت لگاریتمی در نظر بگیریم و آن را بر حسب دسی بل اندازه گیری کنیم (پس از دانشمند اسکاتلندی الکساندر گراهام بل). آستانه پایینی حساسیت شنوایی گوش انسان 0 دسی بل، بالایی 120 دسی بل است که به آن "آستانه درد" نیز می گویند. حد بالایی حساسیت نیز توسط گوش انسان به یک شکل درک نمی شود، بلکه به فرکانس خاص بستگی دارد. صداهای با فرکانس پایین باید شدت بیشتری نسبت به صداهای با فرکانس بالا داشته باشند تا آستانه درد را تحریک کنند. به عنوان مثال، آستانه درد در فرکانس پایین 31.5 هرتز در سطح شدت صوت 135 دسی بل رخ می دهد، زمانی که در فرکانس 2000 هرتز احساس درد در 112 دسی بل ظاهر می شود. همچنین مفهوم فشار صوتی وجود دارد که در واقع توضیح معمول انتشار موج صوتی در هوا را گسترش می دهد. فشار صدا- این یک فشار اضافی متغیر است که در یک محیط الاستیک در نتیجه عبور موج صوتی از آن ایجاد می شود.

ماهیت موجی صدا

برای درک بهتر سیستم تولید امواج صوتی، یک بلندگوی کلاسیک را در یک لوله پر از هوا تصور کنید. اگر بلندگو یک حرکت تند رو به جلو انجام دهد، هوا در مجاورت دیفیوزر به طور لحظه ای فشرده می شود. سپس هوا منبسط می شود و در نتیجه ناحیه هوای فشرده در امتداد لوله رانده می شود.
این حرکت موج متعاقباً هنگامی که به اندام شنوایی برسد و پرده گوش را "تحریک" کند، تبدیل به صدا می شود. هنگامی که یک موج صوتی در یک گاز رخ می دهد، فشار و چگالی اضافی ایجاد می شود و ذرات با سرعت ثابت حرکت می کنند. در مورد امواج صوتی، مهم است که این واقعیت را به خاطر بسپاریم که این ماده همراه با موج صوتی حرکت نمی کند، بلکه تنها یک اختلال موقتی در توده های هوا رخ می دهد.

اگر پیستونی را تصور کنیم که در فضای آزاد روی فنر معلق است و حرکات مکرر "به جلو و عقب" انجام می دهد، چنین نوساناتی را هارمونیک یا سینوسی می نامند (اگر موج را به صورت نمودار تصور کنیم، در این صورت یک عدد خالص به دست خواهیم آورد. سینوسی با کاهش و افزایش مکرر). اگر بلندگو را در یک لوله تصور کنیم (مانند مثالی که در بالا توضیح داده شد) نوسانات هارمونیک انجام می دهد، در لحظه ای که بلندگو به سمت جلو حرکت می کند اثر شناخته شده فشرده سازی هوا به دست می آید و هنگامی که بلندگو به سمت عقب حرکت می کند اثر معکوس نادر شدن رخ می دهد. در این حالت، موجی از فشرده سازی متناوب و کمیاب شدن در لوله منتشر می شود. فاصله در طول لوله بین ماکزیمم یا حداقل (فاز) مجاور نامیده می شود طول موج. اگر ذرات موازی با جهت انتشار موج نوسان کنند، موج نامیده می شود. طولی. اگر آنها عمود بر جهت انتشار نوسان کنند، موج نامیده می شود عرضی. به طور معمول، امواج صوتی در گازها و مایعات طولی هستند، اما در جامدات، امواج از هر دو نوع ممکن است رخ دهد. امواج عرضی در جامدات به دلیل مقاومت در برابر تغییر شکل بوجود می آیند. تفاوت اصلی این دو نوع موج در این است که یک موج عرضی دارای خاصیت پلاریزاسیون است (نوسانات در یک صفحه خاص رخ می دهد)، در حالی که یک موج طولی این ویژگی را ندارد.

سرعت صدا

سرعت صوت به طور مستقیم به ویژگی های محیطی که در آن منتشر می شود بستگی دارد. با دو ویژگی محیط تعیین می شود (وابسته) : کشش و چگالی ماده. سرعت صوت در جامدات به طور مستقیم به نوع ماده و خواص آن بستگی دارد. سرعت در محیط گازی تنها به یک نوع تغییر شکل محیط بستگی دارد: فشرده سازی-نادر شدن. تغییر فشار در موج صوتی بدون تبادل حرارت با ذرات اطراف اتفاق می افتد و آدیاباتیک نامیده می شود.
سرعت صوت در گاز عمدتاً به دما بستگی دارد - با افزایش دما افزایش می یابد و با کاهش دما کاهش می یابد. همچنین، سرعت صوت در یک محیط گازی به اندازه و جرم خود مولکول های گاز بستگی دارد - هرچه جرم و اندازه ذرات کوچکتر باشد، "رسانایی" موج بیشتر و بر این اساس سرعت بیشتر است.

در محیط‌های مایع و جامد، اصل انتشار و سرعت صوت شبیه به نحوه انتشار موج در هوا است: با فشرده‌سازی-تخلیه. اما در این محیط ها، علاوه بر وابستگی یکسان به دما، چگالی محیط و ترکیب/ساختار آن بسیار مهم است. هر چه چگالی ماده کمتر باشد سرعت صوت بیشتر می شود و بالعکس. وابستگی به ترکیب محیط پیچیده تر است و در هر مورد خاص با در نظر گرفتن مکان و تعامل مولکول ها / اتم ها تعیین می شود.

سرعت صوت در هوا در t, °C 20: 343 m/s
سرعت صوت در آب مقطر در t, °C 20: 1481 m/s
سرعت صوت در فولاد در t, °C 20: 5000 m/s

امواج ایستاده و تداخل

هنگامی که یک بلندگو امواج صوتی را در یک فضای محدود ایجاد می کند، اثر انعکاس موج از مرزها ناگزیر رخ می دهد. در نتیجه، اغلب این اتفاق می افتد اثر تداخل- هنگامی که دو یا چند موج صوتی روی یکدیگر همپوشانی دارند. موارد خاص پدیده تداخل عبارتند از: 1) امواج کوبنده یا 2) امواج ایستاده. ضربان موج- این مورد زمانی است که امواجی با فرکانس ها و دامنه های مشابه اضافه شوند. الگوی وقوع ضربان: زمانی که دو موج مشابه از نظر فرکانس بر روی یکدیگر قرار می گیرند. در برخی از زمان‌ها، با چنین همپوشانی، پیک‌های دامنه ممکن است "در فاز" منطبق شوند، و همچنین رکودها در "ضد فاز" نیز ممکن است منطبق شوند. ضربات صدا اینگونه مشخص می شود. یادآوری این نکته مهم است که برخلاف امواج ایستاده، همزمانی فازهای قله ها به طور مداوم اتفاق نمی افتد، بلکه در فواصل زمانی معینی اتفاق می افتد. در گوش، این الگوی ضربان کاملاً واضح است و به ترتیب به صورت افزایش و کاهش دوره ای صدا شنیده می شود. مکانیسمی که توسط آن این اثر رخ می دهد بسیار ساده است: هنگامی که قله ها بر هم منطبق می شوند، حجم افزایش می یابد و زمانی که دره ها بر هم منطبق می شوند، حجم کاهش می یابد.

امواج ایستادهدر صورت برهم نهی دو موج با دامنه، فاز و فرکانس یکسان، زمانی که چنین امواجی "تقابل می کنند" یکی در جهت جلو و دیگری در جهت مخالف حرکت می کند. در ناحیه فضا (جایی که موج ایستاده تشکیل شده است) تصویری از برهم نهی دو دامنه فرکانس با حداکثر متناوب (به اصطلاح آنتی گره ها) و حداقل ها (به اصطلاح گره ها) ظاهر می شود. هنگامی که این پدیده رخ می دهد، فرکانس، فاز و ضریب تضعیف موج در محل بازتاب بسیار مهم است. برخلاف امواج متحرک، در یک موج ایستاده انتقال انرژی وجود ندارد، زیرا امواج رو به جلو و عقب که این موج را تشکیل می دهند، انرژی را به مقدار مساوی در دو جهت جلو و مخالف انتقال می دهند. برای درک واضح وقوع یک موج ایستاده، بیایید مثالی از آکوستیک خانگی را تصور کنیم. فرض کنید در فضای محدود (اتاق) سیستم‌های بلندگوی روی زمین داریم. با داشتن صدایی با باس زیاد، سعی کنیم مکان شنونده را در اتاق تغییر دهیم. بنابراین، شنونده ای که خود را در ناحیه حداقل (تفریق) یک موج ایستاده می بیند، این اثر را احساس می کند که باس بسیار کمی وجود دارد، و اگر شنونده خود را در منطقه حداکثر (افزودن) فرکانس ها بیابد، برعکس. اثر افزایش قابل توجهی در ناحیه باس به دست می آید. در این حالت اثر در تمام اکتاوهای فرکانس پایه مشاهده می شود. به عنوان مثال، اگر فرکانس پایه 440 هرتز باشد، پدیده "جمع" یا "تفریق" نیز در فرکانس های 880 هرتز، 1760 هرتز، 3520 هرتز و غیره مشاهده می شود.

پدیده رزونانس

اکثر جامدات دارای فرکانس تشدید طبیعی هستند. درک این اثر با استفاده از مثالی از یک لوله معمولی که تنها در یک انتها باز است بسیار آسان است. بیایید وضعیتی را تصور کنیم که در آن یک بلندگو به انتهای دیگر لوله متصل است، که می تواند یک فرکانس ثابت را پخش کند، که می تواند بعداً تغییر کند. بنابراین، لوله فرکانس تشدید خود را دارد، به عبارت ساده - این فرکانسی است که در آن لوله "رزونانس" یا صدای خود را ایجاد می کند. اگر فرکانس بلندگو (در نتیجه تنظیم) با فرکانس رزونانس لوله مطابقت داشته باشد، اثر افزایش چندین برابری صدا رخ می دهد. این اتفاق می افتد زیرا بلندگو ارتعاشات ستون هوا در لوله را با دامنه قابل توجهی تحریک می کند تا زمانی که همان "فرکانس رزونانس" پیدا شود و اثر اضافه رخ دهد. پدیده حاصل را می‌توان به صورت زیر توصیف کرد: لوله در این مثال با طنین‌دهی در یک فرکانس خاص به بلندگو کمک می‌کند، تلاش‌های آن‌ها با هم جمع می‌شود و به یک افکت بلند شنیدنی منجر می‌شود. با استفاده از نمونه آلات موسیقی، این پدیده را می توان به راحتی مشاهده کرد، زیرا طراحی اکثر سازها حاوی عناصری به نام رزوناتور است. حدس زدن اینکه هدف از تقویت یک فرکانس یا لحن موسیقی خاص چیست دشوار نیست. به عنوان مثال: یک بدنه گیتار با یک تشدید کننده به شکل یک سوراخ جفت گیری با صدا. طراحی لوله فلوت (و به طور کلی تمام لوله ها)؛ شکل استوانه ای بدنه درام که خود تشدید کننده فرکانس خاصی است.

طیف فرکانس صدا و پاسخ فرکانسی

از آنجایی که در عمل هیچ امواجی با فرکانس یکسان وجود ندارد، لازم است که کل طیف صوتی محدوده شنیداری را به تون یا هارمونیک تجزیه کنیم. برای این منظور، نمودارهایی وجود دارد که وابستگی انرژی نسبی ارتعاشات صدا را به فرکانس نشان می دهد. به چنین نموداری، نمودار طیف فرکانس صدا می گویند. طیف فرکانس صدادو نوع وجود دارد: گسسته و پیوسته. نمودار طیف گسسته فرکانس‌های مجزا را نشان می‌دهد که با فضاهای خالی جدا شده‌اند. در طیف پیوسته، همه فرکانس های صوت به یکباره وجود دارند.
در مورد موسیقی یا آکوستیک، برنامه معمول بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی های اوج به فرکانس(به اختصار "AFC"). این نمودار وابستگی دامنه ارتعاشات صدا را به فرکانس در کل طیف فرکانس (20 هرتز - 20 کیلوهرتز) نشان می دهد. با نگاهی به چنین نموداری، به آسانی می توان به عنوان مثال، نقاط قوت یا ضعف یک بلندگو یا سیستم صوتی خاص، قوی ترین مناطق خروجی انرژی، کاهش و افزایش فرکانس، تضعیف و همچنین ردیابی شیب را درک کرد. از کاهش

انتشار امواج صوتی، فاز و پادفاز

فرآیند انتشار امواج صوتی در همه جهات از منبع اتفاق می افتد. ساده ترین مثال برای درک این پدیده سنگریزه ای است که در آب انداخته می شود.
از محل سقوط سنگ، امواج شروع به پخش شدن در سطح آب در تمام جهات می کنند. با این حال، بیایید موقعیتی را با استفاده از یک بلندگو در یک حجم خاص تصور کنیم، مثلا یک جعبه بسته، که به یک تقویت کننده متصل است و نوعی سیگنال موسیقی را پخش می کند. به راحتی می توان متوجه شد (مخصوصاً اگر از یک سیگنال فرکانس پایین قدرتمند، به عنوان مثال یک درام باس استفاده کنید) که بلندگو یک حرکت سریع "به جلو" و سپس همان حرکت سریع "به عقب" انجام می دهد. آنچه باید درک شود این است که وقتی بلندگو به جلو حرکت می کند، یک موج صوتی منتشر می کند که بعداً می شنویم. اما وقتی بلندگو به عقب حرکت می کند چه اتفاقی می افتد؟ و به طور متناقض، همان اتفاق می افتد، بلندگو همان صدا را تولید می کند، فقط در مثال ما کاملاً در حجم جعبه پخش می شود، بدون اینکه از حد خود فراتر رود (جعبه بسته است). به طور کلی، در مثال بالا می توان پدیده های فیزیکی بسیار جالبی را مشاهده کرد که مهم ترین آنها مفهوم فاز است.

موج صوتی که بلندگو با قرار گرفتن در حجم صدا در جهت شنونده ساطع می کند "در فاز" است. موج معکوس که به حجم جعبه می رود، به همان نسبت ضد فاز خواهد بود. فقط باید بدانیم این مفاهیم به چه معنا هستند؟ فاز سیگنال- این سطح فشار صوت در لحظه فعلی در نقطه ای از فضا است. ساده‌ترین راه برای درک فاز، نمونه‌ای از بازتولید مواد موسیقی توسط یک جفت استریوی معمولی از سیستم‌های بلندگوی خانگی است. بیایید تصور کنیم که دو بلندگوی اینچنینی روی زمین در یک اتاق خاص نصب شده و بازی کنند. در این حالت، هر دو سیستم صوتی یک سیگنال سنکرون فشار صوتی متغیر را تولید می کنند و فشار صدای یک بلندگو به فشار صدای بلندگوی دیگر اضافه می شود. اثر مشابهی به دلیل همزمانی بازتولید سیگنال از بلندگوهای چپ و راست رخ می دهد، به عبارت دیگر، اوج و فرود امواج ساطع شده توسط بلندگوهای چپ و راست منطبق هستند.

حالا بیایید تصور کنیم که فشارهای صدا هنوز به همان شکل تغییر می کنند (تغییر نکرده اند)، اما فقط اکنون مخالف یکدیگر هستند. این می تواند اتفاق بیفتد اگر یک سیستم از دو بلندگو را با قطبیت معکوس وصل کنید (کابل "+" از تقویت کننده به ترمینال "-" سیستم بلندگو و کابل "-" از تقویت کننده به ترمینال "+" سیستم بلندگو). در این حالت، سیگنال مخالف باعث اختلاف فشار می شود که می توان آن را به صورت اعداد به صورت زیر نشان داد: بلندگوی چپ فشار "1 Pa" و بلندگوی سمت راست فشار "منهای 1 Pa" ایجاد می کند. در نتیجه، کل حجم صدا در محل شنونده صفر خواهد بود. این پدیده آنتی فاز نامیده می شود. اگر برای درک بیشتر به مثال نگاه کنیم، معلوم می‌شود که دو بلندگو که «در فاز» بازی می‌کنند، نواحی یکسانی از فشرده‌سازی و ریزش هوا ایجاد می‌کنند و در نتیجه در واقع به یکدیگر کمک می‌کنند. در مورد یک آنتی فاز ایده آل، ناحیه فضای هوای فشرده ایجاد شده توسط یک بلندگو با ناحیه ای از فضای هوای کمیاب ایجاد شده توسط بلندگوی دوم همراه خواهد بود. این تقریباً شبیه پدیده لغو همزمان امواج متقابل است. درست است، در عمل صدا به صفر نمی رسد و صدایی به شدت اعوجاج و ضعیف می شنویم.

در دسترس ترین راه برای توصیف این پدیده به شرح زیر است: دو سیگنال با نوسانات (فرکانس) یکسان، اما در زمان جابجا شده اند. با توجه به این موضوع، تصور این پدیده های جابجایی با استفاده از مثال یک ساعت گرد معمولی راحت تر است. بیایید تصور کنیم که چندین ساعت گرد یکسان روی دیوار آویزان شده است. هنگامی که عقربه های دوم این ساعت به طور همزمان اجرا می شود، در یک ساعت 30 ثانیه و در ساعت دیگر 30 ثانیه، آنگاه این نمونه ای از سیگنالی است که در فاز است. اگر عقربه های دوم با شیفت حرکت کنند، اما سرعت همچنان یکسان باشد، به عنوان مثال، در یک ساعت 30 ثانیه و در ساعت دیگر 24 ثانیه است، پس این یک نمونه کلاسیک از تغییر فاز است. به همین ترتیب، فاز در یک دایره مجازی بر حسب درجه اندازه گیری می شود. در این حالت، هنگامی که سیگنال ها نسبت به یکدیگر 180 درجه (نیم دوره) جابجا می شوند، آنتی فاز کلاسیک به دست می آید. اغلب در عمل، تغییرات فاز جزئی رخ می‌دهد که می‌توان آن‌ها را نیز در درجه تعیین کرد و با موفقیت حذف کرد.

امواج مسطح و کروی هستند. جبهه موج هواپیما تنها در یک جهت منتشر می شود و در عمل به ندرت با آن مواجه می شود. جبهه موج کروی نوعی موج ساده است که از یک نقطه سرچشمه می گیرد و در همه جهات حرکت می کند. امواج صوتی این خاصیت را دارند انکسار، یعنی توانایی دور زدن موانع و اشیاء درجه خمش به نسبت طول موج صوت به اندازه مانع یا سوراخ بستگی دارد. پراش همچنین زمانی رخ می دهد که مانعی در مسیر صوت وجود داشته باشد. در این حالت دو حالت ممکن است: 1) اگر اندازه مانع بسیار بزرگتر از طول موج باشد، صدا منعکس یا جذب می شود (بسته به درجه جذب ماده، ضخامت مانع و غیره). ، و یک منطقه "سایه صوتی" در پشت مانع تشکیل می شود. 2) اگر اندازه مانع با طول موج یا حتی کمتر از آن قابل مقایسه باشد، صدا تا حدی در همه جهات منعکس می شود. اگر یک موج صوتی در حالی که در یک محیط حرکت می کند، با محیط دیگر (به عنوان مثال، یک محیط هوا با یک محیط جامد) به رابط برخورد کند، سه حالت می تواند رخ دهد: 1) موج از رابط منعکس می شود. 2) موج. می تواند بدون تغییر جهت از محیط دیگری عبور کند. 3) یک موج می تواند با تغییر جهت در مرز به محیط دیگری عبور کند، این را "شکست موج" می نامند.

نسبت فشار اضافی موج صوتی به سرعت حجمی نوسانی مقاومت موج نامیده می شود. به عبارت ساده، امپدانس موج رسانهرا می توان توانایی جذب امواج صوتی یا مقاومت در برابر آنها نامید. ضرایب بازتاب و انتقال مستقیماً به نسبت امپدانس موج دو رسانه بستگی دارد. مقاومت موج در یک محیط گازی بسیار کمتر از آب یا جامدات است. بنابراین، اگر موج صوتی در هوا به جسم جامد یا سطح آب عمیق برخورد کند، صدا یا از سطح منعکس می شود یا تا حد زیادی جذب می شود. این بستگی به ضخامت سطحی (آب یا جامد) دارد که موج صوتی مورد نظر روی آن می افتد. هنگامی که ضخامت یک محیط جامد یا مایع کم است، امواج صوتی تقریباً به طور کامل "عبور" می کنند، و بالعکس، زمانی که ضخامت محیط بزرگ است، امواج بیشتر منعکس می شوند. در مورد انعکاس امواج صوتی، این فرآیند طبق یک قانون فیزیکی شناخته شده رخ می دهد: "زاویه تابش برابر با زاویه بازتاب است." در این حالت وقتی موجی از محیطی با چگالی کمتر به مرز محیطی با چگالی بیشتر برخورد کند، این پدیده رخ می دهد. شکست. این شامل خم شدن (انکسار) یک موج صوتی پس از "ملاقات" با یک مانع است و لزوماً با تغییر سرعت همراه است. شکست همچنین به دمای محیطی که بازتاب در آن رخ می دهد بستگی دارد.

در فرآیند انتشار امواج صوتی در فضا، ناگزیر از شدت آنها کاسته می شود؛ می توان گفت که امواج ضعیف شده و صدا ضعیف می شود. در عمل، مواجهه با یک اثر مشابه بسیار ساده است: برای مثال، اگر دو نفر در یک مزرعه در فاصله ای نزدیک (یک متر یا نزدیکتر) بایستند و شروع به گفتن چیزی به یکدیگر کنند. اگر متعاقباً فاصله بین افراد را افزایش دهید (اگر آنها شروع به دور شدن از یکدیگر کنند)، همان سطح از حجم مکالمه کمتر و کمتر شنیده می شود. این مثال به وضوح پدیده کاهش شدت امواج صوتی را نشان می دهد. چرا این اتفاق می افتد؟ دلیل این امر فرآیندهای مختلف تبادل حرارت، برهمکنش مولکولی و اصطکاک داخلی امواج صوتی است. اغلب در عمل، انرژی صوتی به انرژی حرارتی تبدیل می شود. چنین فرآیندهایی ناگزیر در هر یک از 3 رسانه انتشار صدا بوجود می آیند و می توان آنها را به عنوان مشخص کرد جذب امواج صوتی.

شدت و درجه جذب امواج صوتی به عوامل زیادی از جمله فشار و دمای محیط بستگی دارد. جذب نیز به فرکانس صدای خاص بستگی دارد. هنگامی که یک موج صوتی از طریق مایعات یا گازها منتشر می شود، یک اثر اصطکاک بین ذرات مختلف رخ می دهد که به آن ویسکوزیته می گویند. در نتیجه این اصطکاک در سطح مولکولی، فرآیند تبدیل موج از صوت به گرما رخ می دهد. به عبارت دیگر، هر چه رسانایی حرارتی محیط بالاتر باشد، درجه جذب موج کمتر است. جذب صوت در محیط های گازی نیز به فشار بستگی دارد (فشار اتمسفر با افزایش ارتفاع نسبت به سطح دریا تغییر می کند). در مورد وابستگی درجه جذب به فرکانس صوت، با در نظر گرفتن وابستگی های ویسکوزیته و هدایت حرارتی فوق الذکر، هر چه فرکانس صوت بیشتر باشد، جذب صوت نیز بیشتر می شود. مثلاً در دما و فشار معمولی در هوا، جذب موجی با فرکانس 5000 هرتز 3 دسی بل بر کیلومتر و جذب موج با فرکانس 50 هزار هرتز 300 دسی بل بر متر خواهد بود.

در محیط جامد، تمام وابستگی های فوق (رسانایی گرمایی و ویسکوزیته) حفظ می شود، اما چندین شرایط دیگر به این اضافه می شود. آنها با ساختار مولکولی مواد جامد، که می توانند متفاوت باشند، با ناهمگنی های خاص خود مرتبط هستند. بسته به این ساختار مولکولی جامد داخلی، جذب امواج صوتی در این مورد می تواند متفاوت باشد و به نوع ماده خاص بستگی دارد. هنگامی که صدا از یک جسم جامد عبور می کند، موج دچار تعدادی دگرگونی و اعوجاج می شود که اغلب منجر به پراکندگی و جذب انرژی صوتی می شود. در سطح مولکولی، زمانی که یک موج صوتی باعث جابجایی صفحات اتمی می شود، اثر جابجایی می تواند رخ دهد که سپس به موقعیت اصلی خود باز می گردند. یا حرکت نابجایی ها منجر به برخورد با نابجایی های عمود بر آنها یا نقص در ساختار بلوری می شود که باعث مهار آنها و در نتیجه جذب موج صوتی می شود. با این حال، موج صوتی نیز می تواند با این نقص ها طنین انداز شود که منجر به اعوجاج موج اصلی می شود. انرژی موج صوتی در لحظه تعامل با عناصر ساختار مولکولی ماده در نتیجه فرآیندهای اصطکاک داخلی از بین می رود.

در این مقاله سعی می کنم ویژگی های ادراک شنوایی انسان و برخی از ظرافت ها و ویژگی های انتشار صدا را تحلیل کنم.

رعد و برق، موسیقی، صدای موج سواری، گفتار انسان و هر چیز دیگری که می شنویم صدا است. "صدا" چیست؟

منبع تصویر: pixabay.com

در واقع، هر چیزی که ما عادت داریم به عنوان صدا در نظر بگیریم، تنها یکی از انواع ارتعاشات (هوا) است که مغز و اندام های ما می توانند درک کنند.

ماهیت صدا چیست

تمام صداهایی که در هوا منتشر می شوند ارتعاشات یک موج صوتی هستند. از طریق ارتعاش یک جسم به وجود می آید و از منبع آن در همه جهات منحرف می شود. جسم ارتعاشی مولکول‌های موجود در محیط را فشرده می‌کند و سپس فضای کمیاب ایجاد می‌کند و باعث می‌شود که مولکول‌ها یکدیگر را بیشتر و بیشتر دفع کنند. بنابراین، تغییرات در فشار هوا به دور از جسم منتشر می شود، مولکول ها خود در یک موقعیت بدون تغییر برای خود باقی می مانند.

تاثیر امواج صوتی بر پرده گوش. منبع تصویر: prd.go.th

هنگامی که موج صوتی در فضا حرکت می کند، اشیاء موجود در مسیر خود را منعکس می کند و تغییراتی در هوای اطراف ایجاد می کند. هنگامی که این تغییرات به گوش شما می رسد و پرده گوش را تحت تاثیر قرار می دهد، انتهای عصبی سیگنالی را به مغز می فرستد و شما این ارتعاشات را به عنوان صدا درک می کنید.

ویژگی های اساسی یک موج صوتی

ساده ترین شکل موج صوتی یک موج سینوسی است. امواج سینوسی به شکل خالص خود به ندرت در طبیعت یافت می شوند، اما با آنها است که باید مطالعه فیزیک صدا را آغاز کرد، زیرا هر صدا را می توان به ترکیبی از امواج سینوسی تجزیه کرد.

یک موج سینوسی به وضوح سه معیار فیزیکی اصلی صدا را نشان می دهد - فرکانس، دامنه و فاز.

فرکانس

هرچه فرکانس ارتعاش کمتر باشد، صدا کمتر می شود، منبع تصویر: ReasonGuide.Ru

فرکانس کمیتی است که تعداد ارتعاشات در ثانیه را مشخص می کند. بر حسب تعداد دوره های نوسان یا هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود. گوش انسان می تواند صدا را در محدوده 20 هرتز (فرکانس های پایین) تا 20 کیلوهرتز (فرکانس های بالا) درک کند. صداهای بالاتر از این محدوده را اولتراسوند، و زیر آن - مادون صوت می نامند و توسط شنوایی انسان درک نمی شوند.

دامنه

هر چه دامنه موج صوتی بیشتر باشد، صدا بلندتر است.

مفهوم دامنه (یا شدت) یک موج صوتی به قدرت صدا اشاره دارد که شنوایی انسان آن را به عنوان حجم یا بلندی صدا حس می کند. مردم می توانند طیف نسبتاً وسیعی از حجم صدا را درک کنند: از یک شیر آب در یک آپارتمان ساکت تا موسیقی در حال پخش در کنسرت. برای اندازه‌گیری بلندی صدا، از واج‌سنج‌ها (اندازه‌گیری شده در دسی بل) استفاده می‌شود که از مقیاس لگاریتمی برای راحت‌تر کردن اندازه‌گیری استفاده می‌کنند.

فاز موج صوتی

مراحل یک موج صوتی منبع تصویر: Muz-Flame.ru

برای توصیف خواص دو موج صوتی استفاده می شود. اگر دو موج دارای دامنه و فرکانس یکسانی باشند، به آن دو موج صوتی در فاز گفته می شود. فاز از 0 تا 360 اندازه گیری می شود که 0 مقداری است که نشان می دهد دو موج صوتی همزمان (در فاز) و 180 مقداری است که نشان می دهد امواج مخالف یکدیگر (خارج از فاز) هستند. هنگامی که دو موج صوتی در فاز هستند، این دو صدا با هم همپوشانی دارند و سیگنال ها یکدیگر را تقویت می کنند. هنگامی که دو سیگنال که از نظر دامنه مطابقت ندارند با هم ترکیب می شوند، به دلیل اختلاف فشار، سیگنال ها سرکوب می شوند که منجر به صفر می شود، یعنی صدا ناپدید می شود. این پدیده به عنوان "سرکوب فاز" شناخته می شود.

هنگام ترکیب دو سیگنال صوتی یکسان، لغو فاز می تواند به یک مشکل جدی تبدیل شود و ترکیب موج صوتی اصلی با موج منعکس شده از سطوح در اتاق آکوستیک نیز یک مزاحمت بزرگ است. به عنوان مثال، هنگامی که کانال های چپ و راست یک میکسر استریو برای تولید یک ضبط هماهنگ ترکیب می شوند، سیگنال ممکن است از لغو فاز رنج ببرد.

دسی بل چیست؟

دسی بل سطح فشار صوت یا ولتاژ الکتریکی را اندازه گیری می کند. این واحدی است که نسبت دو کمیت مختلف را به یکدیگر نشان می دهد. بل (به نام دانشمند آمریکایی الکساندر بل) یک لگاریتم اعشاری است که نسبت دو سیگنال مختلف را به یکدیگر منعکس می کند. این بدان معنی است که برای هر بل بعدی در مقیاس، سیگنال دریافتی ده برابر قوی تر است. به عنوان مثال، فشار صدای یک صدای بلند میلیاردها برابر بیشتر از فشار صدای آرام است. برای نمایش چنین مقادیر بزرگی، آنها شروع به استفاده از مقدار نسبی دسی بل (دسی بل) کردند - با 1,000,000,000 که 109 یا به سادگی 9 است. پذیرش این مقدار توسط فیزیکدانان و آکوستیست ها باعث شد کار با اعداد بزرگ راحت تر شود. .

مقیاس صدا برای صداهای مختلف. منبع تصویر: Nauet.ru

در عمل، بل واحد بسیار بزرگی برای اندازه گیری سطح صدا است، بنابراین به جای آن از دسی بل که یک دهم بل است استفاده شد. نمی توان گفت که استفاده از دسی بل به جای کمر مانند استفاده از مثلاً سانتی متر به جای متر برای نشان دادن اندازه کفش است؛ بل و دسی بل مقادیر نسبی هستند.

با توجه به موارد فوق مشخص است که سطح صدا معمولاً بر حسب دسی بل اندازه گیری می شود. از اختراع تلفن تا به امروز، برخی از استانداردهای سطح صدا در آکوستیک مورد استفاده قرار گرفته اند. اعمال اکثر این استانداردها با توجه به تجهیزات مدرن دشوار است، آنها فقط برای قطعات قدیمی از تجهیزات استفاده می شوند. امروزه تجهیزات در استودیوهای ضبط و پخش از واحدی مانند dBu (دسی بل نسبت به سطح 0.775 ولت) و در تجهیزات خانگی - dBV (دسی بل اندازه گیری شده نسبت به سطح 1 ولت) استفاده می کنند. تجهیزات صوتی دیجیتال از dBFS (در مقیاس کامل دسی بل) برای اندازه گیری قدرت صدا استفاده می کنند.

dBm- "m" مخفف میلی وات (mW)، یک واحد اندازه گیری است که برای نشان دادن توان الکتریکی استفاده می شود. لازم است توان را از ولتاژ الکتریکی تشخیص دهیم، اگرچه این دو مفهوم ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. واحد اندازه گیری dBm در ابتدای معرفی ارتباطات تلفنی شروع به استفاده کرد و امروزه در تجهیزات حرفه ای نیز استفاده می شود.

dBu- در این حالت، ولتاژ (به جای توان) نسبت به سطح صفر مرجع اندازه گیری می شود؛ 0.75 ولت به عنوان سطح مرجع در نظر گرفته می شود. هنگام کار با تجهیزات صوتی حرفه ای مدرن، dBu با dBm جایگزین می شود. استفاده از dBu به عنوان یک واحد اندازه گیری در زمینه مهندسی صدا در گذشته راحت تر بود، زمانی که شمارش توان الکتریکی به جای ولتاژ برای ارزیابی قدرت سیگنال مهم تر بود.

dBV- این واحد اندازه گیری نیز بر اساس سطح صفر مرجع است (مانند مورد dBu)، اما 1 ولت به عنوان سطح مرجع در نظر گرفته می شود که راحت تر از رقم 0.775 V است. این واحد اندازه گیری صدا اغلب برای تجهیزات صوتی خانگی و نیمه حرفه ای استفاده می شود.

dBFS- این رتبه بندی سطح سیگنال به طور گسترده در مهندسی صوتی دیجیتال استفاده می شود و با واحدهای اندازه گیری فوق بسیار متفاوت است. FS (مقیاس کامل) یک مقیاس کامل است که استفاده می شود زیرا برخلاف سیگنال صوتی آنالوگ که دارای ولتاژ بهینه است، کل محدوده مقادیر دیجیتال هنگام کار با سیگنال دیجیتال به همان اندازه قابل قبول است. 0 dBFS حداکثر سطح ممکن سیگنال صوتی دیجیتال است که می تواند بدون اعوجاج ضبط شود. استانداردهای اندازه گیری آنالوگ مانند dBu و dBV هیچ فضایی برای محدوده دینامیکی بیش از 0 dBFS ندارند.

اگر مقاله را دوست داشتید، مانند قرار دادن و عضو کانال شوید NAUCHPOP . با ما همراه باشید، دوستان! چیزهای جالب زیادی در راه است!

صدا ارتعاشات مکانیکی است که در یک محیط مواد الاستیک عمدتاً به صورت امواج طولی منتشر می شود.

در خلاء، صدا منتشر نمی شود، زیرا انتقال صدا به یک محیط مادی و تماس مکانیکی بین ذرات محیط مادی نیاز دارد.

در یک رسانه، صدا به شکل امواج صوتی حرکت می کند. امواج صوتی ارتعاشات مکانیکی هستند که در یک محیط با استفاده از ذرات شرطی آن منتقل می شوند. ذرات معمولی یک محیط به معنای ریزحجمه آن است.

ویژگی های فیزیکی اولیه یک موج صوتی:

1. فرکانس.

فرکانسموج صوتی قدر است برابر با تعداد نوسانات کامل در واحد زمان. با نماد نشان داده شده است v (برهنه) و اندازه گیری شد در هرتز 1 هرتز = 1 تعداد/ثانیه = [ s -1 ].

مقیاس ارتعاش صدا به فواصل فرکانسی زیر تقسیم می شود:

· مادون صوت (از 0 تا 16 هرتز)؛

· صدای قابل شنیدن (از 16 تا 16000 هرتز)؛

· سونوگرافی (بیش از 16000 هرتز).

فرکانس یک موج صوتی ارتباط نزدیکی با کمیت معکوس آن - دوره موج صوتی دارد. دوره زمانیموج صوتی زمان یک نوسان کامل ذرات محیط است. تعیین شده است تیو در ثانیه [s] اندازه گیری می شود.

با توجه به جهت ارتعاش ذرات محیط حامل موج صوتی، امواج صوتی به دو دسته تقسیم می شوند:

· طولی؛

· عرضی.

برای امواج طولی، جهت ارتعاش ذرات محیط با جهت انتشار موج صوتی در محیط منطبق است (شکل 1).

برای امواج عرضی، جهت ارتعاش ذرات محیط عمود بر جهت انتشار موج صوتی است (شکل 2).

برنج. 1 شکل 2

امواج طولی در گازها، مایعات و جامدات منتشر می شوند. عرضی - فقط در جامدات.

3. شکل ارتعاشات.

با توجه به شکل ارتعاشات، امواج صوتی به دو دسته تقسیم می شوند:

· امواج ساده.

امواج پیچیده

نمودار یک موج ساده یک موج سینوسی است.

نمودار یک موج مختلط هر منحنی غیر سینوسی تناوبی است .

4. طول موج.

طول موج کمیت استبرابر مسافتی است که موج صوتی در زمانی برابر با یک دوره طی می کند. λ (لامبدا) تعیین می شود و بر حسب متر (m)، سانتی متر (سانتی متر)، میلی متر (mm)، میکرومتر (μm) اندازه گیری می شود.

طول موج بستگی به محیطی دارد که صدا در آن حرکت می کند.

5. سرعت موج صدا.

سرعت موج صداسرعت انتشار صوت در محیطی با منبع صوتی ثابت است. با نماد v مشخص می شود که با فرمول محاسبه می شود:

سرعت موج صوتی به نوع محیط و دما بستگی دارد. سرعت صوت در اجسام جامد الاستیک بالاترین، در مایعات کمتر و در گازها کمتر است.

هوا، فشار اتمسفر معمولی، دما - 20 درجه، v = 342 متر بر ثانیه؛

آب، دمای 15-20 درجه، v = 1500 متر بر ثانیه؛

فلزات، v = 5000-10000 متر بر ثانیه.

سرعت صوت در هوا با 10 درجه افزایش دما حدود 0.6 متر بر ثانیه افزایش می یابد.