صدا - جلسه اول

اهداف:

آشنایی با صدا به عنوان یک موج، طرز کار دیاپازون و نحوه ایجاد صدا توسط آن.

مقدمه

در این جلسه می خواهیم شما را با طبیعت، خواص و رفتار امواج صدا و نحوه حرکت آن ها در محیط آشنا کنیم. آشنایی با کار دیاپازون نیز می تواند کمک خوبی برای درک امواج صدا باشد.

صدا و موسیقی یک تجربه ی حسی در زندگی انسان هاست. همان طور که هر انسان دو چشم برای تشخیص رنگ و جهت دارد، دو گوش نیز برای تشخیص جهت و کیفیت صدا دارد. اما به ندرت کسی به سنجیدن کیفیت صدا و یا چگونگی ایجاد و انتشار و حتی درک آن توسط گوش خود توجه می کند. اساس ایجاد صدا، موسیقی و شنیدن در واقع بر پایه ی فیزیک امواج است. صدا موجی است که از لرزش اجسام و انتشار آن در محیط از مکانی به مکان دیگر می شود.

لئوناردو دائینچی اولین کسی بود که در سال 1500 میلادی کشف کرد که صدا در واقع نوعی موج است. در واقع انسان، اشیا و یا هر چیز دیگری که صدا تولید می کنند، این صدای تولید شده به صورت موج منتشر می شود. مارین مرسن در سال 1640 توانست سرعت صوت را در هوا اندازه بگیرد. در سال 1660 رابرت رویل ثابت کرد که صدا باید در محیط منتشر شود. در سال 1660 نیوتن روابط بین سرعت صدا در محیط و تراکم پذیری در محیط را فرمول بندی کرد.

امواج می توانند به صورت یک آشفتگی در محیط تعریف شوند که انرژی را در محیط از مکانی به مکان دیگر منتقل می کنند. معمولاٌ برای توصیف صدا از موج های باریک فنری شکل استفاده می شود. آشفتگی در فنر اول ایجاد می شود و به صورت موج از فنر اول به فنر دوم و همین طور از فنر دوم به فنر سوم و... منتقل می شود تا در نهایت توسط گوش دریافت شده و پیغام به مغز برسد تا صدا شنیده شود.

شکل1: تصویری از امواج صدا به صورت موج های فنری شکل

سۆال: عوامل ایجاد صدا چیست؟

جواب:

 1- محیطی برای انتقال آشفتگی از یک مکان به مکان دیگر وجود دارد که معمولاٌ هوا به عنوان محیط در نظر گرفته می شود البته گاهی صدا در محیط آب یا فولاد نیز پخش می شود. محیط تشکیل شده از ذرات به هم پیوسته که با هم در بر هم کنش هستند.

2- وجود منبع صدا که همان ارتعاش یا لرزش جسمی است که آشفتگی در اولین ذره ی محیط ایجاد می کند.

3- صدا موجی است که ار یک مکان به مکان دیگر و یا به عبارت دیگر از یک ذره به ذره ی دیگری منتقل می شود. اگر موج صدا در هوا حرکت کند.

دیاپازون چیست؟

یکی از بهترین وسیله ها برای تشریح چگونگی شکل گیری و انتشار موج صدا در محیط دیاپازون می باشد. دیاپازون وسیله ایست فلزی شامل دو شاخه باریکی است که با ضربه قابلیت لرزش و ایجاد صدا دارند. همان طور که شاخک ها به عقب و جلو حرکت می کنند، مولکول های هوای اطراف خود را وادار به حرکت می کنند و در اصطلاح برای مولکو ها آشفتگی بوجود می آورند. این آشفتگی ها به مولکول های مجاور با مکانیزم تداخل ذره ای منتقل می شود. حرکت این آشفتگی که ریشه در نوسان شاخک های دیاپازون در هوا دارد به عنوان موج صدا در نظر گرفته می شود. در شکل زیر ایجاد یک موج صدا در دیاپازون نشان داده شده است.

شکل2: تصویری از نحوه کارکرد یک دیاپازون در ایجاد موج و در نتیجه صدا

همان طور که در شکل نیز به خوبی نشان داده شده است، هنگامی که شاخک های دیاپازون از یکدیگر دور می شوند، مولکول های هوا را به یکدیگر نزدیک می کنند و وقتی شاخک ها به هم نزدیک می شوند مولکول ها دوباره می توانند از هم فاصله بگیرند همان طور که در شکل سمت راست نزدیک و دور شدن مولکول های هوا نیز به خوبی نشان داده شده است. در چنین شرایطی است که یک موج مکانیکی بوجود می آید و ما می توانیم صدای تولید شده توسط جسم متحرک را با انتقال به گوش خود بشنویم.

بسیاری از فیزیکدانان دیاپازون را بر روی یک جعبه صدا سوار می کنند. در چنین شرایطی شاخک های نوسان کننده جعبه صدا را نیز تحت تاثیر قرار می دهند و آن را به لرزش در می آورند. همان طور که شاخک ها حرکت می کنند و جعبه را به لرزش در می آورند، مولکول های هوای درون جعبه نیز شروع به نوسان می کنند و با فرکانسی برابر با فرکانس لرزش شاخک ها می لرزند و صدای بلندتری ایجاد می شود زیرا تعداد ذرات بیشتری حرکت می کنند (داخل و خارج جعبه).

شکل3: تصویر یک دیاپازون نصب شده برروی جعبه برای ایجاد صدای بلندتر

بنابراین می توان نتیجه گرفت که شاخک های دیاپازون نوسان می کنند زیرا ما می توانیم صدای تولید شده به وسیله نوسان را بشنویم. با این وجود ما نمی توانیم هر نوسان شاخک ها را ببینیم زیرا شاخک ها در فرکانس بالایی نوسان می کنند. از این نوع دیاپازون در کلیدهای پیانو نیز استفاده می شود. شاخک ها با فرکانس 256 هرتز نوسان می کنند یعنی 256 نوسان در هر ثانیه که بنابراین با چنین فرکانس بالایی چشم انسان قادر به تشخیص نوسان ها نمی باشد.

سوال: آیا تفاوت بین موج الکترومغناطیسی و موج مکانیکی را می دانید؟

جواب: امواج الکترومغناطیسی امواجی هستند ترکیبی از امواج الکتریکی و مغناطیسی که قادر به انتقال در محیط خلا نیز می باشند. در واقع امواج الکترومغناطیسی برای حرکت و انتقال انرژی نیازی به محیط مادی ندارند. اما امواج مکانیکی نیاز به محیط مادی برای حرکت از یک مکان به مکان دیگر می باشند زیرا این امواج متکی بر مکانیزم برهمکنش ذرات برای انتقال انرژی و در نتیجه حرکت هستند. در واقع امواج مکانیکی نمی توانند در محیطی که ذرات یا مولکو های هوا وجود ندارند حرکت کنند. بنابراین موج مکانیکی نمی تواند در خلا منتشر شود.

تکلیف:

برای این که این مطلب را بهتر بفهمید به این مثال توجه کنید: یک زنگ را درون یک ظرفی که هوای درون آن تخلیه شده است(محیط خلا) قرار می دهیم و سپس زنگ را به صدا در می آوریم. به نظر شما آیا صدایی شنیده می شود؟ خیر زیرا هیچ ذره ای درون ظرف وجود ندارد تا بتواند انرژی را منتقل کند و امواج صوتی ایجاد شود. بنابراین با این آزمایش ساده نیز می توان فهمید که صدا یک موج مکانیکی است که برای انتشار و شنیده شدن نیاز به محیط مادی دارد.

شکل4: تصویری برای آزمایش شنیدن صدا در محیط خلا

سوال: آیا می دانید بلندگوها چگونه عمل می کنند تا ما صدا را بشنویم؟

جواب: به شکل زیر توجه کنید. نقاط سیاه رنگ مولکول های هوا را نشان می دهد. هنگامی که بلندگوها می لرزند، مولکول های هوای اطراف آن با الگوی خاصی شروع به نوسان می کنند که به صورت یک موج است. این موج باعث لرزش پرده گوش می شود و ما می توانیم صدا را بشنویم.

شکل5: نحوه انتقال صدا از بلندگو به گوش

توجه داشته باشید که مولکول های هوا واقعا به گوش منتقل نمی شوند زیرا در این صورت باد ایجاد شده است! در واقع هر مولکول هوا به صورت مجزا مسافت کمی را جابجا می شود ولی همین نوسان های کوچک باعث لرزش مولکول های مجاور و ایجاد یک حرکت موجی در تمام مسیر تا رسیدن به گوش می شود.

مطالب مرتبط:

صدا - جلسه دوم

صدا- جلسه سوم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان - تهیه: سارا قیصری

تنظیم: فاطمه گودرزی