انتشار صوت(1)

هدف:

آشنایی با نحوه انتشار موج صوتی در انواع محیط ها و مقایسه سرعت انتشار آن در هر محیط.

شرح درس:

هنگامی که اجسام ارتعاش می کنند، انرژی صوتی تولید می کنند. به عنوان مثال هنگامی که روی طبلی می زنید، سطح طبل با سرعت بسیار زیادی ارتعاش می کند و ارتعاش طبل، مولکول های هوای اطراف خود را هم به ارتعاش درمی آورد.

وقتی هوا حرکت می کند، انرژی منتقل شده از طبل را در تمام جهات منتقل می کند. حتی هوای داخل گوش شما نیز با این کار به ارتعاش درمی آید و در این هنگام است که شما صدای طبل را می شنوید.

رابرت بویل اولین کسی بود که کشف کرد صوت برای انتشار به یک محیط مادی نیاز دارد. او یک آزمایش ترتیب داد:

او یک ساعت را درون یک ظرف شیشه ای بزرگ قرار داد و زنگ آن را به صدا درآورد. سپس هوای داخل محفظه شیشه ای را با یک پمپ مکنده به بیرون کشید. همان طور که کم کم هوای داخل محفظه کم تر می شد؛ صدای کم تری از ساعت در حال زنگ زدن به بیرون می رسید؛ چون محیط (هوایی) که برای انتشار صدای زنگ به آن نیاز بود، از بین رفته بود.

موج صوتی می تواند درون هر محیط مادی مانند هوا، گاز یا جامد انتشار داشته باشد. گوش خود را روی سطح یک میز چوبی بگذارید و چشم های خود را ببندید. به فرد دیگری در اتاق بگویید تا در انتهای دیگر میز، انگشت خود را روی میز بزند.

ضربه انگشت این فرد باعث ایجاد یک اختلال اولیه می شود و ضربات بعدی انگشت او از میان مولکول های میز به گوش شما می رسند. ذرات داخل میز چوبی به ارتعاش درمی آیند و با ذرات هوا برخورد می کنند و این ذرات هوا نیز ما بین میز و گوش ما به ارتعاش درآمده و می شنویم.

سرعت صوت:

سرعت صوت به محیطی که صوت در آن منتشر می شود، بستگی دارد. امواج صوتی در جامدها سریع تر از مایعات و در مایعات، سریع تر از گازها منتشر می شوند. همچنین امواج صوتی در محیط متراکم تر با سرعت کم تری منتشر می شوند. در هوای گرم یا سرد نیز صوت با سرعت متفاوتی منتشر می شود.

می دانیم که امواج صوتی از نوع امواج طولی مکانیکی هستند که به وسیله انتقال انرژی جنبشی از یک مولکول به مولکول دیگر در یک محیط منتشر می شوند:

الف) در مواد جامد و مایع، نیروهای بین مولکولی و برخوردها عامل انتقال انرژی صوتی هستند.
ب) در گازها فقط برخوردهای بین مولکولی عامل انتقال انرژی صوتی است.
برای همین سرعت صوت در مواد جامدو مایع، بیشتر از گازها است (نیروهای بین مولکولی در گازها بسیار کوچک یا نزدیک صفر است).

جدول زیر، سرعت صوت در برخی مواد را نشان می دهد:

سرعت صوت در یک جامد که میله یا سیمی شکل است، به فرم زیر است:

که E مدول یانگ برای مواد مختلف و ρ دانسیته ماده است.

این فرمول برای گاز ایده آل به شکل زیر خواهد بود:

که P فشار گاز ایده آل و γ ظرفیت گرمایی ویژه گاز ایده آل است.

با داشتن معادله گازها یعنی: PV = RT

(P فشار گاز، V حجم گاز، T دمای گاز و R ثابت جهانی گاز ایده آل است) :

سرعت صوت در گاز ایده آل:

که M جرم مولی گاز است.
این معادله نشان می دهد که سرعت صوت در گاز ایده آل:
الف) مستقل از فشار گاز است.
ب) به طور مستقیم با جذر دمای مطلق در ارتباط است.
ج) با معکوس جذر جرم مولی گاز رابطه مستقیم دارد.

در ارتفاعات بالا سرعت صوت کم است زیرا هوا خنک تر است؛ برای همین در ارتفاع بالا ، سرعت یک هواپیما نسبت به سرعت صوت (این نسبت را عدد ماخ می نامند) بیشتر است حتی اگر سرعت واقعی هواپیما همان سرعتی باشد که قبل از پرواز داشت!

تغییر در سرعت صوت بر حسب دما در وسیله ای مانند فلوت بسیار واضح دیده می شود؛ در یک سالن کنسرت گرم، صدای فلوت تیز تر می شود و به دلیل انبساط گرمایی فلوت در هوای گرم، فرکانس آن بیشتر خواهد بود.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: خدیجه آلچالانلو
تنظیم: مریم فروزان کیا