امواج (2)
پدیده تشدید (بازآوایی) یعنی افزایش ناگهانی دامنه ارتعاش های واداشته دستگاه وقتی مشاهده می شود که بسامد نیرو با بسامد طبیعی یکی شود.
در مطلب قبل ارتعاش های آزاد ریسمان و ضریب تناسب k را برسی کردیم، حال در ادامه این فرایندها را در سازهای زهی و امواج ساکن را در تیغه ها و اثر دو گوشی فاز را مرور می کنیم.
در سازهای زهی کشش F را طبیعتا نه با آویزان کردن وزنه ها بلکه به وسیله کشیدن تار با پیچیدن یک سر آن روی میله (میخ کوک) به وجود می آورند. اگر نصف تار را به طرف بالا و نصف دیگر آن را به طرف پایین بکشیم به طوری که نقطه وسط تار جابه جا نشود با رها کردن همزمان دو نقطه تار، می بینیم که ارتعاش به وجود آمده علاوه بر دو گره در دو سر، گره دیگری در وسط دارد و از این رو دارای دو شکم است. (شکل 1 قسمت ب) (در اینجا صدای تولید شده دو برابر بلندتر می باشد و اکنون بسامد 2v است.) همچنین می توان ارتعاش هایی با دو گره در میان تار به وجود آورد، که ریسمان را به سه قسمت مسای تقسیم می کنند تا ارتعاش هایی با سه گره به دست آید. (شکل 1 قسمت پ) (بسامد این ارتعاش 3v خواهد بود.) با کشیدن ریسمان در نقاط مختلف در اصل می توانیم ارتعاش هایی با تعداد گره ها و شکم های زیادی داشته باشیم، هر چند که تشخیص آنها تا حدودی مشکل است.
برای مثال، این قبیل ارتعاش ها را می توانیم با کشیدن آرشه در جایی که یک شکم باید تشکیل شود و با فشار آرام انگشتان در جایی که نزدیک ترین گره ها باید باشند به وجود آوریم. این نوع ارتعاش های آزاد با چهار، پنج یا تعداد بیشتری شکم دارای بسامد 4v, 5v و ...هستند.
بنابراین تار دارای یک سری ارتعاش است و از این رو دارای یک سری بسامد ویژه با مضاربی از کمترین بسامد v می باشد. بسامد v به بسامد اصلی معروف است و ارتعاش با بسامد v را تن اصلی (طنین اصلی) می نامیم و ارتعاش با بسامد 2v و 3v و غیره را هماهنگ های بالاتر (ابرتن ها) می نامیم.
در سازهای زهی، ارتعاش تارها بر اثر کشیدن یا تکان دادن سریع با مضراب (گیتار یا ماندولین) یا با نواختن ضربه با چکش یا با آرشه ایجاد می شود. تارها فقط با یکی از بسامدهای ویژه ارتعاش نمی کنند، بلکه به طور همزمان با چندین بسامد ویژه به ارتعاش در می آیند. یکی از علل متفاوت بودن طنین در آلات موسیقی مختلف همین نکته می باشد.
وجود تمام دسته ارتعاش های طبیعی و دسته متناظر با بسامدهای ویژه، مشخصه اجسام کشسان است. لیکن بر عکس ارتعاش های تار، بسامدهای هماهنگ ها معمولا مضارب درستی از بسامد اصلی نمی باشند.
امواج ساکن در تیغه ها
امواج ساکن نه تنها در اجسام به شدت کشیده نظیر تار یا ریسمان، بلکه در هر جسمی با هر شکلی که داشته باشد می توانند تشکیل شوند. نواحی بدون حرکت موج ساکن، یعنی گره های آن، سطوحی هستند که حجم جسم را به ناحیه هایی تقسیم می کنند که شدیدترین ارتعاش ها (شکم ها) در وسط آنها قرار می گیرند.
اگر جسم دارای شکلی نزدیک به سطح هندسی، یعنی تیغه با لایه باشد، سطوح گرهی روی این جسم را می توان خطوط گرهی به حساب آورد.
یک روش زیبا و دیداری برای مشاهده امواج ساکن در تیغه ها در سال 1787 توسط ارنست چلادنی (Ernest Chladni) فیزیکدان آلمانی اختراع شد، ماسه را روی صفحه شیشه ای، فلزی یا چوبی که در نقطه ای ثابت است، می پاشیم. در این صفحه با کشیدن آرشه ای که به آن کلوفون (صمغ صنوبر) مالیده شده است عمود بر یکی از لبه ها امواج ساکن به وجود می آید. بر اثر لرزش ماسه ها از شکم ها دور و در خطوط گرهی جمع می شوند و اشکال معروف چلادنی را می سازند که نشانگر نقش خطوط گرهی تشکیل شده روی سطح صفحه به هنگام ارتعاش صفحه است. حالت اشکال به شکل صفحه و به جای نقطه ثابت و همین طور به جای نقطه ای که در آن آرشه با صفحه تماس پیدا می کند و جایی که صفحه با انگشتان گرفته می شود، بستگی دارد.
شکل2: علامت مثبت شکم هایی را نشان می دهد که در آنجا صفحه در آن لحظه رو به بالا خمیده شده است، در حالی که علامت منفی با خمیدگی به طرف پایین متناظر است. پس از یک چهارم دوره، صفحه تخت می شود و پس از یک ربع بعدی، علامت مثبت با خمیدگی به طرف پایین و منفی با خمیدگی به طرف بالا متناظر می شود. (روی شکل کلیک کنید.)
شرایط گسیل کامل صدا
با حرکت شاخه به یک طرف، تراکم هوا و بنابراین افزایشی در فشار آن، در جلو شاخه مشاهده می شود و انبساط هوا و افت فشار در پشت آن روی می دهد. در نتیجه این اختلاف فشار، تراز فشار (و چگالی) در دو سمت شاخه به هم می خورد. فرایند ناترازی فشار با همان سرعت موج صوتی پیش می رود یعنی فضایی با شعال نصف موج را در طول نیم دوره در بر می گیرد، اما اندازه شاخه دیاپازون بسیار کوچک تر از نصف موج است. از این رو تراکم ها و انبساط های ایجاد شده توسط آن در هوا به علت ناترازی فشار در دو سمت آن به مقدار زیادی تضعیف می شوند. این به آن معنا است که موج گسیلی نیز به مقدار زیادی تضعیف می شود. به این نتیجه دست می یابیم که برای گسیل خوب، اندازه جسم در مقایسه با طول موج صوت در محیط اطراف نباید کوچک باشد.
دیاپازون فرستنده ضعیفی است نه فقط به این علت که موج فرستاده شده با هر یک از شاخه ها شدت کمی دارد، بلکه به این علت نیز که شاخه ها که با فاصله ای به مراتب کوچک تر از طول موج از هم جدا هستندف در جهت عکس هم، یعنی با فاز مخالف ارتعاش می کنند. بنابراین در هر نقطه محیط اطراف موج حاصل از هر شاخه دیاپازون به سبب تداخل با موج گسیل شده از شاخه دیگر که در فاز مخالف موج اول است، تضعیف می شود.
اثر دو گوشی فاز (جهت یابی صدا)
شدت صدا در هر دو گوش عملا برابر است زیرا اختلاف فاصله از چشمه ناچیز است و اندازه سر هم آن قدرها بزرگ نیست که (سایه صدا) قابل ملاحظه باشد. به این ترتیب، اختلاف ارتعاش ها در دو گوش اساسا به اختلاف فاز بین آنها مربوط می شود. معلوم شده است که تشخیص جهت چشمه صدا دقیقا به سبب اختلاف فاز بین ارتعاش ها در دو گوش می باشد و این پدیده به اثر دو گوشی فاز معروف است.
اثر دو گوشی فاز نه فقط نقش مهمی در زندگی روزمره دارد، بلکه در پدیده به اصطلاح جهت یابی صدا، یعنی در تعیین جهت چشمه صدا نیز به کار می رود.
هر گاه گیرنده ای به سمت یک منبع ساکن که از خود موج صوتی می فرستد برود بسامد صوتی که می گیرد بیشتر از وقتی است که نسبت به منبع ساکن باشد. و اگر از منبع صوت دور شود، موجی را با بسامد کمتر می گیرد.
اگر بسامد موج تولید شده در منبع f0 باشد و سرعت شنونده و منبع به ترتیب v0 و vs باشد بسامد موجی که شنونده می شنود، 'f، از رابطه زیر به دست می آید:
امواج (1)
منبع: http://www.e-a.ir
مرکز یادگیری سایت تبیان، مرجان سلیمانیان
