امواج صوتی انجام دهید چرا یک موج صوتی ظاهر می شود؟ صدایی از اعماق

صدا امواج صوتی است که باعث ارتعاش کوچکترین ذرات هوا، سایر گازها و همچنین محیط مایع و جامد می شود. صوت فقط می تواند در جایی رخ دهد که ماده وجود داشته باشد، مهم نیست در چه حالتی از ماده باشد. در خلاء، جایی که هیچ رسانه ای وجود ندارد، صدا منتشر نمی شود، زیرا هیچ ذره ای وجود ندارد که به عنوان 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 ایجاد ارتعاش در محیط می شود. فرقی نمی کند آب باشد یا هوا. در این فرآیند، ذرات محیطی که ارتعاشات بدن به آن منتقل می شود نیز شروع به نوسان می کنند. امواج صوتی تولید می شود. 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 در آن حرکت عرضی بالا و پایین وجود ندارد.

ویژگی های امواج صوتی

مانند هر پدیده فیزیکی، آنها مقادیر خاص خود را دارند که با آن می توانید ویژگی ها را توصیف کنید. 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 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 کافی از صداهای کم فرکانس و فرکانس بالا در طبیعت و دنیای اطراف ما وجود دارد. صدای جیک بلبل، رعد و برق، غرش یک رودخانه کوهستانی و غیره، همه فرکانس های صوتی متفاوتی هستند. مقدار دامنه موج مستقیماً به میزان بلندی صدا بستگی دارد. صدا نیز به نوبه خود با دور شدن از منبع صدا کاهش می یابد. بر این اساس، دامنه هر چه کوچکتر باشد، هر چه موج از کانون زلزله دورتر باشد. 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. رطوبت و دما نیز در اینجا 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 نظر ارزش از سرعت صوت بیشتر است. این سرعت انتشار امواج صوتی در هنگام حرکت هواپیما است. این هواپیما با سرعت مافوق صوت حرکت می کند و حتی از امواج صوتی تولید شده توسط آن پیشی می گیرد. به دلیل افزایش تدریجی فشار در پشت هواپیما، یک موج صوتی ضربه ای تشکیل می شود. جالب است و تعداد کمی از مردم واحد اندازه گیری چنین سرعتی را می دانند. ماخ نام دارد. 1 ماخ برابر است با سرعت صوت. اگر موج با سرعت 2 ماخ در حال حرکت باشد، دو برابر سرعت صوت حرکت می کند.

صداها

صداهای دائمی در زندگی روزمره 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 قابلیت را دارد که به چنین صداهایی عادت کند. با این حال، چنین 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 احساس درد شود. پر سر و صداترین حیوان نهنگ آبی است. هنگامی که صدا می دهد، در فاصله بیش از 800 کیلومتر شنیده می شود.

اکو

اکو چگونه رخ می دهد؟ اینجا همه چیز خیلی ساده است. موج صوتی این قابلیت را دارد که از سطوح مختلف منعکس شود: از آب، از سنگ ها، از دیوارهای یک اتاق خالی. این موج به ما باز می گردد، بنابراین صدای ثانویه را می شنویم. این به وضوح اصلی نیست، زیرا مقداری از انرژی 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 رسیدن سونوگرافی به محل و بازگشت انجام می شود. بسیاری از حیوانات توانایی اکولوکاسیون را دارند. به عنوان مثال، خفاش ها، دلفین ها از آن برای جستجوی غذا استفاده می کنند. Echolocation کاربرد دیگری در پزشکی پیدا کرده است. در مطالعات با استفاده از سونوگرافی، تصویری از اندام های داخلی یک فرد تشکیل می شود. این روش مبتنی بر این واقعیت است که اولتراسوند، با ورود به محیطی غیر از هوا، به عقب باز می گردد و در نتیجه یک تصویر تشکیل می دهد.

امواج صوتی در موسیقی

چرا آلات موسیقی صداهای خاصی تولید می کنند؟ پیک های گیتار، آهنگ های پیانو، آهنگ های پایین درام ها و ترومپت ها، صدای نازک جذاب یک فلوت. همه این صداها و بسیاری صداهای دیگر به دلیل ارتعاشات موجود در هوا یا به عبارت دیگر به دلیل ظهور امواج صوتی است. اما چرا صدای آلات موسیقی اینقدر متنوع است؟ معلوم می شود که به عوامل مختلفی بستگی دارد. اولی شکل ساز است، دومی ماده ای است که از آن ساخته شده است.

بیایید نگاهی به نمونه سازهای زهی بیندازیم. آنها با لمس سیم ها منبع صدا می شوند. در نتیجه شروع به تولید ارتعاش و ارسال صداهای مختلف به محیط می کنند. صدای کم هر ساز زهی به دلیل ضخامت و طول بیشتر سیم و همچنین ضعف کشش آن است. بالعکس، هرچه سیم قوی‌تر باشد، نازک‌تر و کوتاه‌تر باشد، صدایی که در نتیجه نواختن به دست می‌آید بالاتر می‌رود.

عملکرد میکروفون

مبتنی بر تبدیل انرژی موج صوتی به انرژی الکتریکی است. در این حالت قدرت فعلی و ماهیت صدا با هم نسبت مستقیم دارند. 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 می لرزد، جریان الکتریکی تشکیل می شود که در امتداد مارپیچ و سپس به ستون صدا (بلندگو) یا تجهیزات ضبط بر روی یک رسانه اطلاعاتی (روی کاست، دیسک، کامپیوتر) می رود. به هر حال، ساختار مشابه دارای یک میکروفون در گوشی است. اما میکروفون ها در تلفن ثابت و تلفن همراه چگونه کار می کنند؟ فاز اولیه برای آنها یکسان است - صدای صدای انسان ارتعاشات خود را به صفحه میکروفون منتقل می کند، سپس همه چیز از سناریوی شرح داده شده در بالا پیروی می کند: مارپیچی که هنگام حرکت دو قطب را می بندد، جریان ایجاد می شود. بعدش چی؟ با تلفن ثابت، همه چیز کم و بیش واضح است - 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 چنین شرایطی زمانی ایجاد می شود که دامنه نوسانات بدن فیزیکی به شدت افزایش می یابد. این به دلیل همگرایی مقادیر فرکانس نوسانات اجباری و فرکانس طبیعی نوسانات جسم (بدن) است. رزونانس می تواند هم مفید و هم مضر باشد. مثلاً برای نجات خودرو از سوراخ، آن را استارت می زنند و به جلو و عقب هل می دهند تا رزونانس ایجاد کند و به خودرو شتاب بدهد. اما مواردی از پیامدهای منفی رزونانس نیز وجود داشت. به عنوان مثال، در سن پترزبورگ، حدود صد سال پیش، پلی زیر دست سربازان هماهنگ شده 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 صحبت خواهیم کرد و خواهیم فهمید که آنها چه ویژگی هایی دارند. .

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

بخشی که در فیزیک به این امواج می پردازد آکوستیک نام دارد. حرفه افرادی که معمولاً 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 نادری متناوب می شوند. در طول زمان و در مسافتی منتقل می شود (شکل 2).

برنج. 2. انتشار موج صوتی

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

همچنین محدوده هایی وجود دارد که آکوستیک ها درگیر آن هستند - 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 تحصیلکرده ای باید در محدوده فرکانس امواج صوتی راهنمایی شود 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 ماوراء صوت.

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. چنین روشی نامیده می شود تشخیص نقص اولتراسونیک.

از دیگر نمونه های استفاده از سونوگرافی می توان به دستگاه های اولتراسوند، دستگاه های اولتراسوند، سونوگرافی درمانی اشاره کرد.

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

منابع طبیعی امواج مادون صوت عبارتند از طوفان، سونامی، زلزله، طوفان، فوران آتشفشانی، رعد و برق.

امواج فروصوت نیز امواج مهمی هستند که برای ارتعاش سطح (مثلاً برای از بین بردن برخی اجسام بزرگ) استفاده می شوند. ما امواج مادون صوت را به داخل خاک راه اندازی می کنیم - و خاک خرد 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 برابر است، در حالی که سرعت افزایش می یابد. اگر شما یک محقق هستید، پس چنین دانشی ممکن است برای شما مفید باشد. حتی ممکن است نوعی سنسور دما را پیدا کنید که با تغییر سرعت صدا در محیط، اختلاف دما را تشخیص دهد. 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. 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 حتی سریعتر در فولاد: (شکل 6).

برنج. 6. سرعت انتشار موج صوتی

شما از حماسه هایی می دانید که ایلیا مورومتس استفاده کرد (و همه قهرمانان و مردم عادی روسیه و پسران شورای نظامی انقلابی گایدار) 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 هارمونیک به ارتعاش درآوریم، یک موج صوتی فوق العاده خواهیم داشت که به آن صدای موسیقی می گویند. این منابع امواج صوتی می تواند برای مثال سیم های گیتار یا پیانو باشد. این ممکن است یک موج صوتی باشد که در شکاف لوله هوا (ارگان یا لوله) ایجاد می شود. از درس های موسیقی، نت ها را می شناسید: do، re، mi، fa، salt، 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. تفاوت آنها چگونه است؟ آنها در طول موج و فرکانس متفاوت هستند. اگر این امواج صوتی توسط اجسام با صدای هماهنگ ایجاد نشوند یا به یک قطعه ارکستری مشترک متصل نباشند، به چنین تعدادی از صداها نویز می گویند.

سر و صدا- نوسانات تصادفی با ماهیت فیزیکی مختلف که با پیچیدگی ساختار زمانی و طیفی مشخص می شود. مفهوم نویز روزمره و فیزیکی است، بسیار شبیه به هم هستند و به همین دلیل آن را به عنوان یک موضوع مهم و جداگانه 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؟ انتشار یک موج صوتی در زمان یا نوسانات یک منبع موج صوتی را در نظر بگیرید (شکل 8).

برنج. 8. حجم صدا

در عین حال، اگر صدای زیادی به سیستم اضافه نکنیم (مثلاً روی کلید پیانو به آرامی ضربه بزنید)، صدای آرامی وجود خواهد داشت. اگر با صدای بلند دستمان را بالا ببریم با زدن کلید این صدا را صدا بزنیم صدای بلندی دریافت می کنیم. 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. چه چیزی زیر و بم صدا را تعیین می کند؟ گام به فرکانس بستگی دارد. می‌توانیم نوسان منبع را به طور مکرر انجام دهیم، یا می‌توانیم کاری کنیم که نوسان چندانی نداشته باشد (یعنی نوسانات کمتری در واحد زمان انجام دهیم). حرکت زمانی صدای کم و زیاد با دامنه یکسان را در نظر بگیرید (شکل 9).

برنج. 9. زمین

نتیجه جالبی می توان گرفت. اگر فردی به صورت بیس آواز بخواند، منبع صدای او (این تارهای صوتی هستند) چندین برابر آهسته تر از فردی که سوپرانو می خواند، نوسان می کند. در حالت دوم، تارهای صوتی بیشتر مرتعش می شوند، بنابراین، اغلب باعث ایجاد کانون های فشرده سازی و نادری در انتشار موج می شوند.

ویژگی جالب دیگری برای امواج صوتی وجود دارد که فیزیکدانان آن را مطالعه نمی کنند. آی تی تن صدا. شما همان قطعه موسیقی را که روی بالالایکا یا ویولن سل پخش می شود، می شناسید و به راحتی تشخیص می دهید. تفاوت این صداها یا این اجرا چیست؟ در ابتدای آزمایش از افرادی که صداهایی تولید می کنند خواستیم که دامنه آنها را تقریباً یکسان بسازند تا حجم صدا یکسان باشد. مثل ارکستر: اگر نیازی به جدا کردن یک ساز نباشد، همه تقریباً به یک شکل و با همان قدرت می‌نوازند. بنابراین صدای بالالایکا و ویولن سل متفاوت است. اگر صدایی را که از یک ساز، از ساز دیگر استخراج می‌شود، با استفاده از نمودارها می‌کشیدیم، آنها یکسان می‌شدند. اما به راحتی می توانید این سازها را با صدایشان تشخیص دهید.

نمونه دیگری از اهمیت تامبر. دو خواننده را تصور کنید که از یک مدرسه موسیقی با یک معلم فارغ التحصیل می شوند. آنها به همان اندازه با پنج تا خوب درس می خواندند. 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. - نسخه دوم توزیع مجدد. - X .: وستا: انتشارات "رانوک"، 2005. - 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 منتشر می شود؟ منبع صدا چه چیزی می تواند باشد؟
2. آیا صدا می تواند در فضا سفر کند؟
3. آیا هر موجی که به گوش 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 یک فیلم در یک سیستم سینمای خانگی خوب. گیم پلی سرگرم کننده و اعتیاد آور 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 مهم نیست که یک فرد در سازماندهی اوقات فراغت خود چه اهدافی دارد و مهم نیست که به چه افراطی می پردازد، همه این پیوندها با یک کلمه ساده و قابل درک - "صدا" به طور محکم وصل شده اند. در واقع، در تمام این موارد، ما توسط دسته توسط موسیقی متن هدایت خواهیم شد. 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 خوب تئوری فیزیکی کافی است که می تواند اکثر مشکلاتی را که برای همه ایجاد می شود برطرف کند. که قصد دارد صداپیشگی با کیفیت بالا را دریافت کند.

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

نظریه عمومی صدا و اصطلاحات موسیقی

چیست صدا? این حسی است که اندام شنوایی درک می کند. "گوش"(این پدیده حتی بدون مشارکت "گوش" در فرآیند وجود دارد، اما درک آن از این طریق 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 صوتیدر واقع، این مجموعه ای متوالی از آب بندی ها و تخلیه های محیط (اغلب محیط هوا در شرایط عادی) با فرکانس های 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 موج صوتی در یکی از این نوع فضاها رخ می دهد، ناگزیر تغییراتی در خود محیط ایجاد می شود، مثلاً تغییر در چگالی یا فشار هوا، حرکت ذرات توده های هوا و غیره.

از آنجایی که موج صوتی ماهیت نوسانی دارد، دارای ویژگی هایی مانند فرکانس است. فرکانسبر حسب هرتز (به افتخار فیزیکدان آلمانی هاینریش رودولف هرتز) اندازه گیری می شود و تعداد ارتعاشات در یک دوره زمانی برابر با یک ثانیه را نشان می دهد. آن ها به عنوان مثال، فرکانس 20 هرتز به معنای 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" به نظر می رسد. موج صوتی یک ویژگی مهم دیگر نیز دارد که نامی 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 - 20000 هرتز درک کند (بسته به ویژگی های یک شخص خاص، کسی می تواند کمی بیشتر بشنود، کسی 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 مستقیماً با اندام شنوایی انسان تماس نداشته باشد، ممکن است چنین صدایی شنیده نشود یا بعداً بسیار 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 بسیار شنیدنی است، در حالی که صداهای درون این فاصله می توانند بسیار شبیه به یکدیگر باشند. یک اکتاو را می توان صدایی نیز نامید که دو برابر صدای دیگری در یک بازه زمانی ارتعاش ایجاد می کند. به عنوان مثال، فرکانس 800 هرتز چیزی نیست جز اکتاو بالاتر 400 هرتز، و فرکانس 400 هرتز به نوبه خود اکتاو بعدی صدا با فرکانس 200 هرتز است. یک اکتاو از تون ها و تون ها تشکیل شده است. نوسانات متغیر در یک موج صوتی هارمونیک با یک فرکانس توسط گوش انسان به صورت لحن موسیقی. ارتعاشات فرکانس بالا را می توان به عنوان صداهای با صدای بالا و ارتعاشات فرکانس پایین به صداهای کم صدا تعبیر کرد. گوش انسان قادر است صداها را با اختلاف یک تن (در محدوده حداکثر 4000 هرتز) به وضوح تشخیص دهد. با وجود این، تعداد بسیار کمی از آهنگ ها در موسیقی استفاده می شود. این از ملاحظات اصل همخوانی هارمونیک توضیح داده شده است، همه چیز بر اساس اصل اکتاو است.

تئوری آهنگ های موسیقی را با استفاده از مثال یک سیم کشیده شده به روش خاصی در نظر بگیرید. 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 پیوسته مشاهده می شود، فرکانس تنظیم مورد نظر را می شنویم. به این صدا لحن بنیادی می گویند. برای لحن اصلی در زمینه موسیقی، فرکانس نت «لا» اکتاو اول برابر با 440 هرتز رسما 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 یکی از ویژگی های صداهای موسیقی است که به آلات و صداهای موسیقی ویژگی منحصر به فرد صدا را می بخشد، حتی در هنگام مقایسه صداهایی با ارتفاع و بلندی یکسان. تن صدای هر ساز بستگی به توزیع انرژی صدا بر روی تون ها در لحظه ظاهر شدن صدا 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 به وضوح صدای آن را از ساز دیگر تشخیص دهیم. دو نوع تون وجود دارد: هارمونیک و غیر هارمونیک. رنگ های هارمونیکطبق تعریف، مضربی از فرکانس بنیادی هستند. برعکس، اگر تون ها مضرب نباشند و به طور محسوسی از مقادیر انحراف داشته باشند، نامیده می شوند. ناهماهنگ. در موسیقی عملاً اجرای تون های غیر چندگانه منتفی است، بنابراین این اصطلاح به مفهوم "Overtone" به معنای هارمونیک کاهش می یابد. برای برخی از سازها، به عنوان مثال، پیانو، لحن اصلی حتی زمان تشکیل را ندارد، برای مدت کوتاهی انرژی صوتی اهنگ ها افزایش می یابد و سپس به همان سرعت کاهش می یابد. بسیاری از سازها یک افکت به اصطلاح "تن انتقالی" ایجاد می کنند، زمانی که انرژی تون های خاص در یک نقطه خاص از زمان، معمولاً در همان ابتدا، حداکثر است، اما سپس به طور ناگهانی تغییر می کند و به تون های دیگر منتقل می شود. محدوده فرکانس هر ساز را می توان به طور جداگانه در نظر گرفت و معمولاً توسط فرکانس های تن های اساسی که این ساز خاص قادر به بازتولید آن است محدود می شود.

در تئوری صدا نیز چیزی به نام NOISE وجود دارد. سر و صدا- هر صدایی است که از ترکیبی از منابع ناسازگار با یکدیگر ایجاد می شود. همه به خوبی از سر و صدای برگ های درختان، تاب خورده توسط باد و غیره آگاه هستند.

چه چیزی میزان صدا را تعیین می کند؟بدیهی است که چنین پدیده ای مستقیماً به مقدار انرژی حمل 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 یک مکالمه معمولی، شدت آن حدود 9 یا 10 W/cm2 است. گوش انسان قادر به درک صداهایی با طیف نسبتاً وسیعی از حساسیت است، در حالی که حساسیت فرکانس ها در طیف صدا یکنواخت نیست. بنابراین بهترین محدوده فرکانس درک شده 1000 هرتز - 4000 هرتز است که به طور گسترده گفتار انسان را پوشش می دهد.

از آنجایی که صداها از نظر شدت بسیار متفاوت هستند، راحت تر است که آن را به عنوان یک مقدار 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، بالای 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، اما به فرکانس خاص بستگی دارد. صداهای فرکانس پایین باید شدت بسیار بیشتری نسبت به فرکانس های بالا داشته باشند تا آستانه درد ایجاد شود. به عنوان مثال، آستانه درد در فرکانس پایین 31.5 هرتز در سطح شدت صدا 135 دسی بل رخ می دهد، زمانی که در فرکانس 2000 هرتز احساس درد در حال حاضر در 112 دسی بل ظاهر می شود. همچنین مفهوم فشار صوت وجود دارد که در واقع توضیح معمول برای انتشار موج صوتی در هوا را گسترش می دهد. فشار صدا- این یک فشار بیش از حد متغیر است که در یک محیط الاستیک در نتیجه عبور موج صوتی از آن رخ می دهد.

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 برای لحظه ای فشرده می شود. پس از آن، هوا منبسط می شود و در نتیجه ناحیه هوای فشرده در امتداد لوله رانده می شود.
این حرکت موجی است که متعاقباً هنگامی که به اندام شنوایی می رسد و پرده گوش را "تحریک" می کند، صدا خواهد بود. هنگامی که یک موج صوتی در گاز ایجاد می شود، 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 فقط یک اختلال موقتی 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 شکل نمودار نشان دهیم، در این صورت به دست می آید. یک موج سینوسی خالص با فراز و نشیب های مکرر). اگر بلندگو را در یک لوله تصور کنیم (مانند مثالی که در بالا توضیح داده شد) که نوسانات هارمونیک را انجام می دهد، در لحظه ای که بلندگو "به جلو" حرکت می کند، اثر فشرده سازی هوا از قبل شناخته شده به دست می آید، و هنگامی که بلندگو به سمت عقب حرکت می کند. ، اثر معکوس نادر شدن به دست می آید. 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. معمولا امواج صوتی در گازها و مایعات طولی هستند، در حالی که 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 ترتیب مستقیماً 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 کاهش می یابد. همچنین، سرعت صوت در یک محیط گازی به اندازه و جرم خود مولکول های گاز بستگی دارد - هر چه جرم و اندازه ذرات کوچکتر باشد، به ترتیب "رسانایی" موج بیشتر و سرعت بیشتر می شود.

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 اثر تداخل- هنگامی که دو یا چند موج صوتی بر روی یکدیگر قرار می گیرند. موارد خاص پدیده تداخل عبارتند از: 1) امواج کوبنده یا 2) امواج ایستاده. ضربان امواج- این مورد زمانی است که امواجی با فرکانس و دامنه نزدیک اضافه می شود. 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 خاصی رخ می دهد. در گوش، چنین الگوی ضربان کاملاً متفاوت است و به ترتیب به صورت افزایش و کاهش دوره ای در حجم شنیده می شود. مکانیسم وقوع این اثر بسیار ساده است: در لحظه همزمانی پیک ها، حجم افزایش می یابد، در لحظه وقوع رکود، حجم کاهش می یابد.

امواج ایستادهدر صورت برهم نهی دو موج با دامنه، فاز و فرکانس یکسان، هنگامی که چنین امواجی "تقابل می کنند"، یکی در جهت جلو و دیگری در جهت مخالف حرکت می کند. در ناحیه فضا (جایی که یک موج ایستاده تشکیل شده است) تصویری از برهم نهی دو دامنه فرکانس با حداکثر متناوب (به اصطلاح پادگره) و حداقل (به اصطلاح گره) به وجود می آید. 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 تشکیل دهنده این موج، انرژی را به مقدار مساوی در هر دو جهت جلو و مخالف حمل می کنند. برای درک بصری وقوع یک موج ایستاده، بیایید مثالی از آکوستیک خانگی را تصور کنیم. فرض کنید در فضای محدود (اتاق) بلندگوهای روی زمین داریم. پس از اینکه آنها را مجبور کردیم آهنگی با بیس زیاد پخش کنند، بیایید سعی کنیم مکان شنونده را در اتاق تغییر دهیم. بنابراین، شنونده با وارد شدن به منطقه حداقل (تفریق) موج ایستاده، این اثر را احساس می کند که باس بسیار کوچک شده است، و اگر شنونده وارد منطقه حداکثر (افزودن) فرکانس ها شود، برعکس می شود. 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

بیشتر جامدات فرکانس تشدید خاص خود را دارند. برای درک این اثر به عنوان مثال یک لوله معمولی بسیار ساده است، فقط در یک انتها باز می شود. بیایید وضعیتی را تصور کنیم که در آن یک بلندگو از انتهای دیگر لوله وصل شده است که می تواند یک فرکانس ثابت را پخش کند، همچنین می توان آن را بعداً تغییر داد. اکنون، یک لوله فرکانس تشدید خود را دارد، به عبارت ساده، این فرکانسی است که در آن لوله "رزونانس" یا صدای خود را تولید می کند. اگر فرکانس بلندگو (در نتیجه تنظیم) با فرکانس رزونانس لوله مطابقت داشته باشد، در این صورت اثر افزایش چند برابری صدا وجود خواهد داشت. این به این دلیل است که بلندگو ارتعاشات ستون هوا در لوله را با دامنه قابل توجهی تحریک می کند تا زمانی که همان "فرکانس تشدید" پیدا شود و اثر اضافه رخ دهد. پدیده حاصل را می‌توان به صورت زیر توصیف کرد: لوله در این مثال با طنین‌اندازی در یک فرکانس خاص به بلندگو کمک می‌کند، تلاش‌های آن‌ها جمع می‌شود و به یک افکت بلند شنیدنی می‌ریزد. به عنوان مثال از آلات موسیقی، این پدیده به راحتی قابل ردیابی است، زیرا طراحی اکثریت شامل عناصری به نام رزوناتور است. حدس زدن اینکه هدف از تقویت یک فرکانس یا لحن موسیقی خاص چیست دشوار نیست. به عنوان مثال: بدنه گیتار با یک تشدید کننده به شکل سوراخ، مطابق با صدا. طراحی لوله در 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 فرکانس ها را به صورت جداگانه و با فضاهای خالی از هم جدا می کند. 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 نگاه کردن به چنین نموداری، به راحتی می توان نقاط قوت یا ضعف یک بلندگو یا سیستم بلندگوی خاص را در کل، قوی ترین مناطق بازگشت انرژی، افت 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: پرتاب سنگریزه به آب.
از محل سقوط سنگ، امواج در سطح آب در همه جهات شروع به واگرایی 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 یک سیگنال با فرکانس پایین قدرتمند مانند یک درام باس ارائه دهید)، که بلندگو یک حرکت سریع "به جلو" و سپس همان حرکت سریع "به عقب" را انجام می دهد. باید فهمید که وقتی بلندگو به جلو حرکت می کند، یک موج صوتی از خود ساطع می کند که پس از آن می شنویم. اما وقتی بلندگو به سمت عقب حرکت می کند چه اتفاقی می افتد؟ و به طور متناقض، همان اتفاق می افتد، بلندگو همان صدا را می دهد، فقط در مثال ما کاملاً در حجم جعبه پخش می شود، بدون اینکه از آن فراتر رود (جعبه بسته است). به طور کلی در مثال فوق می توان پدیده های فیزیکی جالب زیادی را مشاهده کرد که مهمترین آنها مفهوم فاز است.

موج صوتی که گوینده با حجم زیاد، 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 زمان فعلی در نقطه ای از فضا است. این فاز به راحتی با مثال پخش مواد موسیقی توسط یک جفت بلندگوی خانگی استریو روی زمین معمولی قابل درک است. بیایید تصور کنیم که دو بلندگوی اینچنینی روی زمین در یک اتاق خاص نصب شده و بازی کنند. هر دو بلندگو در این حالت یک سیگنال فشار صدای متغیر همزمان را تولید می کنند، علاوه بر این، فشار صدای یک بلندگو به فشار صدای بلندگوی دیگر اضافه می شود. اثر مشابهی به دلیل همزمانی بازتولید سیگنال بلندگوهای چپ و راست رخ می دهد، به عبارت دیگر، قله ها و دره های امواج منتشر شده توسط بلندگوهای چپ و راست منطبق هستند.

حالا بیایید تصور کنیم که فشارهای صوتی همچنان به همان شکل تغییر می کنند (تغییر نکرده اند) اما اکنون مخالف یکدیگر هستند. اگر یکی از دو بلندگو را با قطبیت معکوس (کابل "+" از آمپلی فایر به ترمینال "-" سیستم بلندگو و کابل "-" از آمپلی فایر به ترمینال "+" بلندگو وصل کنید، ممکن است اتفاق بیفتد. سیستم). در این حالت، سیگنال مخالف در جهت 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 موقعیت شنونده برابر با صفر خواهد بود. این پدیده آنتی فاز نامیده می شود. اگر مثال را با جزئیات بیشتری برای درک در نظر بگیریم، معلوم می شود که دو بلندگو که در حال پخش "در فاز" هستند، مناطق یکسانی از فشرده سازی و نادر شدن هوا را ایجاد می کنند که در واقع به یکدیگر کمک می کنند. در مورد یک آنتی فاز ایده آل، ناحیه تراکم فضای هوا که توسط یک بلندگو ایجاد می شود با ناحیه ای از نادر بودن فضای هوا ایجاد شده توسط بلندگوی دوم همراه خواهد بود. تقریباً شبیه پدیده میرایی همزمان همزمان امواج است. درست است، در عمل، صدا به صفر نمی رسد و صدایی به شدت اعوجاج و ضعیف می شنویم.

به در دسترس ترین روش، این پدیده را می توان به شرح زیر توصیف کرد: دو سیگنال با نوسانات (فرکانس) یکسان، اما در زمان جابجا شده اند. با توجه به این موضوع، نمایش این پدیده‌های جابجایی با استفاده از مثال ساعت‌های گرد معمولی راحت‌تر است. بیایید تصور کنیم که چندین ساعت گرد یکسان روی دیوار آویزان است. وقتی عقربه‌های دوم این ساعت‌ها در یک ساعت 30 ثانیه و در ساعت دیگر 30 ثانیه به صورت همگام کار می‌کنند، این نمونه‌ای از سیگنالی است که در فاز است. اگر عقربه‌های دوم با شیفت کار می‌کنند، اما سرعت همچنان یکسان است، برای مثال، 30 ثانیه در یک ساعت و 24 ثانیه در ساعت دیگر، پس این یک نمونه کلاسیک تغییر فاز (تغییر) 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 (نیمی از دوره) جابجا می شوند، یک آنتی فاز کلاسیک به دست می آید. اغلب در عمل، جابجایی های فاز جزئی وجود دارد که می توان آنها را نیز در درجه تعیین کرد و با موفقیت حذف کرد.

امواج مسطح و کروی هستند. جبهه موج مسطح تنها در یک جهت منتشر می شود و در عمل به ندرت با آن مواجه می شود. جبهه موج کروی نوع ساده ای از موج است که از یک نقطه تابش می کند و در همه جهات منتشر می شود. امواج صوتی این خاصیت را دارند انکسار، یعنی توانایی اجتناب از موانع و اشیاء. درجه پوشش بستگی به نسبت طول موج صوتی به ابعاد مانع یا سوراخ دارد. پراش نیز زمانی رخ می دهد که مانعی در مسیر صوت وجود داشته باشد. در این حالت دو حالت ممکن است: 1) اگر ابعاد 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 ابعاد مانع با طول موج یا حتی کمتر از آن قابل مقایسه باشد، صدا تا حدی در همه جهات منکسر می شود. اگر یک موج صوتی، هنگام حرکت در یک محیط، به رابط با محیط دیگر برخورد کند (مثلاً یک محیط هوا با یک محیط جامد)، ممکن است سه سناریو ایجاد شود: 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، به این حالت "شکست موج" می گویند.

نسبت فشار اضافی یک موج صوتی به سرعت حجمی نوسانی را امپدانس موج می گویند. به عبارت ساده، مقاومت موجی محیطرا 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 گاز 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. بستگی به ضخامت سطحی (آب یا جامد) دارد که موج صوتی مورد نظر روی آن می افتد. با ضخامت کم یک محیط جامد یا مایع، امواج صوتی تقریباً به طور کامل "عبور" می کنند، و بالعکس، با ضخامت زیاد محیط، 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. انکسار. این شامل خم کردن (شکستن) 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 تضعیف امواج و ضعیف شدن صدا. در عمل، مواجهه با چنین تأثیری 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 صدای مکالمه کمتر و کمتر شنیده می شود. یک مثال مشابه به وضوح پدیده کاهش شدت امواج صوتی را نشان می دهد. چرا این اتفاق می افتد؟ دلیل این امر فرآیندهای مختلف انتقال حرارت، برهمکنش مولکولی و اصطکاک داخلی امواج صوتی است. اغلب در عمل، تبدیل انرژی صوتی به انرژی حرارتی اتفاق می افتد. 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. همچنین جذب بستگی به فرکانس خاص صدا دارد. هنگامی که موج صوتی در مایعات یا گازها منتشر می شود، اثر اصطکاک بین ذرات مختلف ایجاد می شود که به آن ویسکوزیته می گویند. در نتیجه این اصطکاک در سطح مولکولی، فرآیند تبدیل موج از صوت به حرارتی 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، پس با در نظر گرفتن وابستگی های ویسکوزیته و هدایت حرارتی بالا، جذب صوت هر چه بیشتر باشد فرکانس آن بیشتر است. به عنوان مثال، در دما و فشار معمولی، در هوا، جذب موجی با فرکانس 5000 هرتز 3 دسی بل در کیلومتر است و جذب موجی با فرکانس 50000 هرتز در حال حاضر 300 دسی بل در متر خواهد بود.

در محیط جامد، تمام وابستگی های فوق (رسانایی گرمایی و ویسکوزیته) حفظ می شود، اما چند 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 متحمل یک سری دگرگونی ها 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 نابجایی ها 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 و یا نقص در ساختار بلوری می شود که باعث کاهش سرعت آنها و در نتیجه جذب مقداری موج صوتی می شود. با این حال، موج صوتی نیز ممکن است با این نقص ها طنین انداز شود که منجر به اعوجاج موج اصلی می شود. انرژی یک موج صوتی در لحظه برهمکنش با عناصر ساختار مولکولی ماده در نتیجه فرآیندهای اصطکاک داخلی از بین می رود.

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

رعد، 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 نوسانی مولکول های موجود در محیط را فشرده می کند و سپس جو کمیاب ایجاد می کند و باعث می شود مولکول ها یکدیگر را دورتر و دورتر دفع کنند. بنابراین، تغییرات فشار هوا به دور از جسم منتشر می شود، مولکول ها خود در همان موقعیت برای خود باقی می مانند.

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

هنگامی که یک موج صوتی در فضا منتشر می شود، از اجسام در مسیر خود منعکس می شود 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 اصلی موج صوتی

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

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

فرکانس

هر چه فرکانس نوسان کمتر باشد صدا کمتر می شود منبع تصویر: ReasonGuide.Ru

فرکانس مقداری است که تعداد نوسانات 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 پایین) تا 20 کیلوهرتز (فرکانس بالا) درک کند. صداهای بالاتر از این محدوده را اولتراسوند و در زیر آن مادون صوت می نامند و توسط اندام های 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 اندام های شنوایی انسان آن را به عنوان حجم یا بلندی صدا درک می کنند. 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. بلندی صدا با استفاده از واج سنج ها (نشانگرها بر حسب دسی بل) اندازه گیری می شود که از مقیاس لگاریتمی برای راحت تر کردن اندازه گیری ها استفاده می کنند.

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 سیگنالی که از نظر دامنه مطابقت ندارند با هم ترکیب می شوند، سیگنال ها به دلیل اختلاف فشار سرکوب می شوند که منجر به صفر می شود، یعنی صدا ناپدید می شود. این پدیده به "سرکوب فاز" معروف است.

هنگام ترکیب دو سیگنال صوتی یکسان - سرکوب فاز می تواند یک مشکل جدی باشد، و همچنین یک مزاحمت بزرگ ترکیب موج صوتی اصلی با موج منعکس شده از سطوح در اتاق آکوستیک 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 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 bela متوالی در مقیاس، سیگنال دریافتی ده برابر قوی تر است. به عنوان مثال، فشار صوتی یک صدای بلند میلیاردها برابر بیشتر از یک صدای آرام است. به منظور نمایش چنین مقادیر بزرگی، آنها شروع به استفاده از مقدار نسبی دسی بل (dB) کردند - در حالی که 1.000.000.000 برابر با 109 یا به سادگی 9 است. پذیرش این مقدار توسط فیزیکدانان آکوستیک باعث شد تا با اعداد بزرگ به راحتی کار کنند. .

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

در عمل معلوم می شود که بل واحدی برای اندازه گیری سطح صدا بسیار بزرگ است، بنابراین به جای آن از دسی بل که یک دهم بل است استفاده شده است. 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 می شود که سطح صدا معمولاً بر حسب دسی بل اندازه گیری می شود. از زمان اختراع تلفن تا به امروز برخی از استانداردهای سطح صدا در آکوستیک مورد استفاده قرار گرفته اند. اعمال اکثر این استانداردها در رابطه با تجهیزات مدرن دشوار است، آنها فقط برای قطعات منسوخ شده 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 (مقیاس کامل دسیبل) برای اندازه گیری قدرت صدا استفاده می کنند.

dBm- "m" مخفف میلی وات (mW) است که واحد اندازه گیری مورد استفاده برای نشان دادن توان الکتریکی است. توان را باید از ولتاژ الکتریکی متمایز کرد، اگرچه این دو مفهوم ارتباط نزدیکی با یکدیگر دارند. واحد اندازه گیری dBm در ابتدای معرفی ارتباطات تلفنی شروع به استفاده کرد، 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. در برنامه های صوتی حرفه ای مدرن، dBu با dBm جایگزین شده است. به عنوان یک واحد اندازه گیری در زمینه مهندسی صدا، استفاده از dBu در گذشته راحت تر بود، زمانی که برای ارزیابی سطح سیگنال، به جای ولتاژ در نظر گرفتن توان الکتریکی اهمیت بیشتری داشت.

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 شکل 0.775 V است. این واحد اندازه گیری صدا اغلب استفاده می شود. برای تجهیزات صوتی خانگی و نیمه حرفه ای.

dBFS- این تخمین از سطح سیگنال به طور گسترده در صدای دیجیتال استفاده می شود و با واحدهای اندازه گیری فوق بسیار متفاوت است. FS (مقیاس کامل) مقیاس کامل است که استفاده می شود زیرا برخلاف صدای 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 صدای دیجیتال ممکن است که می تواند بدون اعوجاج ضبط شود. استانداردهای اندازه گیری آنالوگ مانند dBu و dBV فضایی بیش از 0 dBFS ندارند.

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

صدا در محیط به شکل امواج صوتی منتشر می شود. امواج صوتی ارتعاشات مکانیکی هستند که با کمک ذرات شرطی آن در محیط منتقل می شوند. تحت ذرات شرطی محیط، ریزحجمه های آن را درک کنید.

مشخصات فیزیکی اصلی یک موج صوتی:

1. فرکانس.

فرکانسموج صوتی کمیت 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 \u003d 1 تعداد / ثانیه \u003d [s -1 ].

مقیاس ارتعاشات صوتی 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).

رابطه نزدیک با فرکانس موج صوتی، دوره متقابل، دوره موج صوتی است. عادت زنانهموج صوتی زمان یک نوسان کامل ذرات محیط است. نشان داده شده است تیو در ثانیه [s] اندازه گیری می شود.

با توجه به جهت نوسان ذرات محیطی که موج صوتی را حمل می کنند، امواج صوتی به دو دسته تقسیم می شوند:

· طولی؛

عرضی

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

برای امواج عرضی، جهت ارتعاشات 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 موج پیچیده هر منحنی غیر سینوسی تناوبی است .

4. طول موج.

طول موج - قدر،برابر فاصله ای که موج صوتی در زمانی برابر با یک دوره پخش می شود. 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 منتشر می شود.

5. سرعت موج صوتی.

سرعت موج صوتیسرعت 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. بیشترین سرعت صوت در اجسام الاستیک جامد، کمتر - در مایعات، و کوچکترین - در گازها.

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.