صدا - جلسه دوم
اهداف:
اندازه گیری سرعت صوت با طرح یک آزمایش ساده، تفاوت سرعت صوت در مواد مختلف.
مقدمه
در این جلسه سعی خواهیم کرد با طرح چند آزمایش ساده شما را با نحوه اندازه گیری سرعت صدا یا همان صوت آشنا سازیم. از طرف دیگر اطلاعات مفیدی در ارتباط با سرعت و کیفیت صوت در مواد مختلف ارائه می دهیم.
ویژگی های صدا یا صوت:
بسامد، دامنه، طول موج و سرعت صوت از مهم ترین ویژگی های صدا هستند که در هنگام سنجش صوت در نظر گرفته می شوند. بسامد، تعداد تغییرات فشار هوا در هر ثانیه در یک نقطه ی ثابت است که موج صدا در حال عبور از آن می باشد. یک چرخه ی نوسانی ساده در یک ثانیه برابر با یک هرتز است. طول موج برابر فاصله ی بین دو قله ی متوالی بوده که موج صوتی در مدت زمان یک چرخه ی نوسانی آن را طی میکند. گوش انسان قادر به شنیدن اصوات با محدوده ی فرکانسی 20 هرتز تا 20 کیلو هرتز است.
شکل 1: تصویری برای درک بهتر طول موج و دامنه ی یک موج
همانطور که در جلسه ی قبل گفته شد، صدای تولید شده به صورت موج از مکانی به مکان دیگر منتقل می شود. امواج صوتی همانند دیگر امواج دارای سرعت هستند که این سرعت برابر با حاصلضرب بسامد در طول موج است. سرعت صوت به محیطی که در آن منتشر می شود بستگی دارد. صوت، در شرایط عادی (دما، فشار و … معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل ۳۴۰ متر بر ثانیه است که این سرعت، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا، سرعت صوت کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید.
سۆال: چرا با افزایش ارتفاع سرعت صوت کاهش می یابد؟
جواب: امواج صوتی از طریق ارتعاش مولکول های هوا منتقل می شوند و بنابراین در مسیرهایی که مولکول های فشرده تری دارند سریعتر حرکت می کند. زیرا مولکول ها فشره تر به هم نزدیکترند و به همین علت آشفتگی در محیط و امواج صوتی سریعتر به مولکول های مجاور منتقل می شود.
سۆال: به نظر شما بلندی صدا در سرعت صوت تأثیر می گذارد؟ آیا صداهای بلند تندتر از صداهای آهسته حرکت می کنند؟
جواب: خیر، بلندی صدا هیچ تأثیری بر سرعت آن ندارد و سرعت صوت فقط بستگی به محیطی دارد که امواج صوتی در آن منتشر می شوند. برای مثال سرعت صوت در محیط های مایع و جامد با سرعت صوت در هوا متفاوت است.
سۆال: تفاوت سرعت صوت در آب و هوا چیست؟
جواب: مولکول های آب نسبت به مولکول های هوا فشرده ترند و همانطور که انتظار می رود سرعت صوت در آب بیشتر است. برای مثال در دمای 20oC سرعت صوت 3/4 برابر سرعت صوت در هوا است و مقدار آن تقریباٌ برابر 1460 متر بر ثانیه است.
با افزایش سرعت صوت در آب، محدوده ی فرکانسی گوش انسان نیز افزایش یافته و به 10 برابر ماکزیمم خودش می رسد و در زیر آب انسان تا فرکانس200 کیلو هرتز را می شنود. سرعت صوت در جامدات بیشتر از سرعت صوت در آب و هوا می باشد. مثلاٌ سرعت صوت در آهن 15 برابر سرعت صوت در هوا است. آزمایش هایی وجود دارد که با انجام آن ها می توانید سرعت صوت را در مواد مختلف اندازه بگیرید.
آزمایش: می خواهیم سرعت صوت را در هوا اندازه گیری کنید. برای این کار منطقه ی آرامی پیدا کنید که دیوار بسیار بلندی در آن وجود داشته باشد. برای انجام این آزمایش از دو قطعه چوب بزرگ استفاده کنید. این دو قطعه چوب را محکم به هم بزنید وقتی صدای اکوی ضربه را شنیدید دوباره دو قطعه را به هم بزنید و این کار را تا ده ضربه انجام دهید. از دوستتان بخواهید با استفاده از کرنومتر زمان را از اولین ضربه ای که می زنید تا یازدهمین انعکاس صدای ضربه را که می شنود اندازه گیری کند. حال فاصله ی دیوار و خود را اندازه بگیرید و در عدد بیست ضرب کنید (10 بار مسافت رفت و برگشتی صدای ضربه ی چوب از دست شما به دیوار و از دیوار به شما). حال این عدد را بر زمان ثبت شده توسط دوست خود تقسیم کنید. عدد نهایی بدست آمده سرعت صدای تولید شده بوسیله ی دو قطعه چوب است.
تکلیف:
با انجام دو آزمایش زیر می توانید تفاوت صدا در آب و هوا را مقایسه کنید.
آزمایش 1: هنگامی که در وان حمام یا استخر ایستاده اید دو قطعه سنگ را در خارج از آب محکم به یکدیگر بزنید و به صدای آن توجه کنید. حال زیر آب بروید و در زیر آب دو قطعه سنگ را مجددا با همان شدت به یکدیگر بزنید و به صدای آن توجه کنید. آیا تفاوتی در صدای ایجاد شده در زیر آب و خارج از آب مشاهده کردید؟ کدام صدا بهتر شنیده می شود؟
آزمایش2: هشت عدد بطری یکسان تهیه کنید. در بطری اولی آبی نریزید، در بطری دوم 30 میلی لیتر آب بریزید و در بطری سوم 60 میلی لیتر و همین طور مطابق شکل به بطری های بعد 30 میلی لیتر به علاوه ی مقدار آب درون بطری قبلی آب اضافه کنید. حال شما 8 بطری دارید که بطری اول خالی و 7 بطری دیگر به ترتیب 30 تا 210 میلی لیتر آب دارند. حال با قاشقی به آرامی بر هر بطری ضربه بزنید. به صداهای ایجاد شده و تفاوت های آن ها در هر بطری دقت کنید. نتایج مشاهدات خود را به دقت یادداشت کنید.
شکل2: تصویر 8 بطری با مقادیر متفاوت آب برای ایجاد صداهای متفاوت
ضربه زدن با قاشق روی هر بطری منجر به ارتعاش بطری می شود. میزان ارتعاش هر بطری بستگی به مقدار آب درون آن دارد. اگر ضربه ی وارد بر بطری با قاشق چوبی یا قاشق فلزی ایجاد شود، صدای ایجاد شده متنوع است. نکته جالب در این آزمایش این است که اینبار بدون استفاده از نخ مرتعش و فقط با استفاده از بطری مرتعش ایجاد صدا کرده ایم. اگر ضربه به صورت پی در پی به بطری وارد شود، صداهای ایجاد شده شبیه یک موسیقی می شود.
جالب است بدانید که چیزی شبیه به همین سیستم ارتعاش در سنتور (یک وسیله موسیقی) استفاده می شود. این وسیله موسیقی از میله های چوبی ساخته شده است. با زدن ضربه به هر کدام از این میله ها صداهای متفاوتی نیز ایجاد می شود زیرا اندازه میله ها متفاوت است و در نتیجه ارتعاش در آن ها نیز متفاوت است. این مانند همان بطری های آب است که با توجه به مقدار آب داخل بطری ها صداهای متفاوتی هم ایجاد می شود.
شکل3: تصویر یک سنتور با میله های چوبی
تکلیف:
از یکی از دوستان خود که یک وسیله موسیقی مانند سنتور دارد با اجازه معلم خود بخواهید این وسیله را با خود بیاورد تا شما هم بتوانید بیشتر با طرز کار آن آشنا شوید. آیا وسیله موسیقی دیگری نیز می شناسید که به این طریق کار کند.
مطالب مرتبط:
