ما هي الموجات الصوتية في الفيزياء. موسوعة المدرسة. الامتصاص بسبب الاحتكاك الداخلي والتوصيل الحراري

تنقسم خصائص الموجات الصوتية إلى ظواهر صوتية: انعكاس الموجات الصوتية ، صدى ؛ الانكسار. استيعاب؛ الانحراف؛ التشوش؛ صدى.

1. انعكاس الصوت - ظاهرة تحدث عندما تسقط الموجة الصوتية على السطح البيني بين وسيطين مرنين وتتكون من تكوين موجات تنتشر من الواجهة إلى نفس الوسط الذي جاءت منه الموجة الساقطة.

2- الصدى - ظاهرة فيزيائية تتمثل في قبول المراقب لموجة تنعكس من عوائق (كهرومغناطيسية ، صوت ، إلخ)

3-الانكسار (الانكسار) - تغيير في اتجاه انتشار الموجات (الحزم) للإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يحدث عند السطح البيني بين وسيطين شفافين لهذه الموجات أو في سمك وسيط ذي خصائص متغيرة باستمرار ، على وجه الخصوص ، حيث لا تكون سرعة الانتشار نفس الشيء.

4. امتصاص الصوت - ظاهرة التحول غير القابل للانعكاس لطاقة الموجة الصوتية إلى أنواع أخرى من الطاقة ، وبشكل أساسي إلى حرارة.

5. حيود الموجة - ظاهرة تتجلى في الانحراف عن قوانين البصريات الهندسية أثناء انتشار الموجات. إنها ظاهرة موجية عالمية وتتميز بنفس القوانين عند ملاحظة مجالات الموجة ذات الطبيعة المختلفة.

6. تدخل الموجة - الزيادة أو النقص المتبادل في السعة الناتجة لموجات متماسكة أو أكثر عندما يتم فرضهما على بعضهما البعض. يترافق مع تناوب الحد الأقصى (العقد العكسية) والحد الأدنى (العقد) من الشدة في الفضاء. تعتمد نتيجة التداخل (نمط التداخل) على اختلاف الطور للموجات المتراكبة.

7- الرنين - ظاهرة الزيادة الحادة في اتساع التذبذبات القسرية ، والتي تحدث عندما يتزامن تواتر التذبذبات الطبيعية مع تواتر تذبذبات القوة الدافعة.

19. نظرية نيوتن الكلاسيكية للجاذبية (قانون نيوتن للجاذبية الكونية) - القانون الذي يصف تفاعل الجاذبية في إطار الميكانيكا الكلاسيكية. اكتشف نيوتن هذا القانون حوالي عام 1666. تنص على أن قوة الجاذبية بين نقطتي كتلة مادية ، مفصولة بمسافة ، تتناسب مع كلتا الكتلتين وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما - أي:

الجاذبية - القوة المؤثرة على أي جسم مادي يقع بالقرب من سطح الأرض أو أي جسم فلكي آخر.

بحكم التعريف ، الجاذبية على سطح الكوكب هي مجموع قوة جاذبية الكوكب وقوة الطرد المركزي من القصور الذاتي الناتجة عن الدوران النهاري للكوكب.

20. الأقمار الصناعية للأرض.

صناعيالأقمار الصناعية الأرض (القمر الصناعي) - مركبة فضائية تدور حول الأرض في مدار مركزية الأرض.

18 فبراير 2016

عالم الترفيه المنزلي متنوع للغاية ويمكن أن يشمل: مشاهدة فيلم على نظام مسرح منزلي جيد ؛ اللعب الممتع والإدمان أو الاستماع إلى الموسيقى. كقاعدة عامة ، يجد كل شخص شيئًا خاصًا به في هذه المنطقة ، أو يجمع كل شيء مرة واحدة. ولكن بغض النظر عن أهداف الشخص في تنظيم وقت فراغه وبغض النظر عن التطرف الذي يذهب إليه ، فإن كل هذه الروابط مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكلمة واحدة بسيطة ومفهومة - "الصوت". في الواقع ، في كل هذه الحالات ، سوف يقودنا المقبض من خلال الموسيقى التصويرية. لكن هذا السؤال ليس بهذه البساطة والتافهة ، خاصة في الحالات التي توجد فيها رغبة في تحقيق صوت عالي الجودة في غرفة أو في أي ظروف أخرى. للقيام بذلك ، ليس من الضروري دائمًا شراء مكونات hi-fi أو hi-end باهظة الثمن (على الرغم من أنها ستكون مفيدة للغاية) ، ولكن المعرفة الجيدة بالنظرية الفيزيائية كافية ، والتي يمكن أن تقضي على معظم المشاكل التي تنشأ للجميع الذي يسعى للحصول على تمثيل صوتي عالي الجودة.

بعد ذلك ، سيتم النظر في نظرية الصوت والصوتيات من وجهة نظر الفيزياء. في هذه الحالة ، سأحاول جعله متاحًا قدر الإمكان لفهم أي شخص ربما يكون بعيدًا عن معرفة القوانين الفيزيائية أو الصيغ ، لكنه مع ذلك يحلم بشغف بتحقيق حلم إنشاء صوت مثالي النظام. لا أفترض أن ادعي أنه لتحقيق نتائج جيدة في هذا المجال في المنزل (أو في السيارة ، على سبيل المثال) ، فأنت بحاجة إلى معرفة هذه النظريات جيدًا ، ومع ذلك ، فإن فهم الأساسيات سيتجنب العديد من الأخطاء الغبية والعبثية ، فضلاً عن السماح يمكنك تحقيق أقصى قدر من التأثير الصوتي من النظام.أي مستوى.

نظرية الصوت العامة والمصطلحات الموسيقية

ما هو يبدو؟ هذا هو الإحساس الذي يدركه الجهاز السمعي. "أذن"(الظاهرة نفسها موجودة حتى بدون مشاركة "الأذن" في العملية ، ولكن من السهل فهمها بهذه الطريقة) ، والتي تحدث عندما تثير موجة صوتية طبلة الأذن. تعمل الأذن في هذه الحالة "كمستقبل" للموجات الصوتية ذات الترددات المختلفة.
موجة صوتيةإنها ، في الواقع ، سلسلة متسلسلة من الأختام والتفريغ للوسط (غالبًا بيئة الهواء في ظل الظروف العادية) بترددات مختلفة. طبيعة الموجات الصوتية متذبذبة ، تسببها وتنتجها اهتزازات أي أجسام. يمكن ظهور وانتشار الموجة الصوتية الكلاسيكية في ثلاث وسائط مرنة: غازية ، سائلة وصلبة. عندما تحدث موجة صوتية في أحد هذه الأنواع من الفضاء ، فإن بعض التغييرات تحدث حتمًا في الوسط نفسه ، على سبيل المثال ، تغيير في كثافة الهواء أو ضغطه ، وحركة جسيمات الكتل الهوائية ، إلخ.

نظرًا لأن الموجة الصوتية لها طبيعة متذبذبة ، فإنها تتمتع بخاصية التردد. تكراريقاس بالهرتز (تكريما للفيزيائي الألماني هاينريش رودولف هيرتز) ، ويشير إلى عدد الاهتزازات خلال فترة زمنية تساوي ثانية واحدة. أولئك. على سبيل المثال ، يعني التردد 20 هرتز دورة من 20 ذبذبة في ثانية واحدة. يعتمد المفهوم الذاتي لارتفاعه أيضًا على تردد الصوت. كلما زاد عدد الاهتزازات الصوتية في الثانية ، كلما بدا الصوت "أعلى". الموجة الصوتية لها أيضًا واحدة أخرى أهم ما يميزهوالذي يسمى الطول الموجي. الطول الموجيمن المعتاد مراعاة المسافة التي يقطعها صوت تردد معين في فترة تساوي ثانية واحدة. على سبيل المثال ، يبلغ الطول الموجي لأقل صوت في النطاق المسموع البشري عند 20 هرتز 16.5 مترًا ، ويبلغ الطول الموجي لأعلى صوت عند 20000 هرتز 1.7 سم.

تم تصميم الأذن البشرية بطريقة تجعلها قادرة على إدراك الموجات في نطاق محدود فقط ، حوالي 20 هرتز - 20000 هرتز (اعتمادًا على خصائص شخص معين ، يمكن لشخص ما أن يسمع أكثر قليلاً ، شخص أقل) . وبالتالي ، فإن هذا لا يعني أن الأصوات الموجودة أسفل أو أعلى من هذه الترددات غير موجودة ، فهي ببساطة لا تدركها الأذن البشرية ، وتتجاوز النطاق المسموع. يسمى الصوت فوق النطاق المسموع الموجات فوق الصوتية، الصوت تحت النطاق المسموع يسمى دون صوت. بعض الحيوانات قادرة على إدراك الأصوات فوق والأشعة تحت الحمراء ، حتى أن البعض يستخدم هذا النطاق للتوجيه في الفضاء (الخفافيش والدلافين). إذا مر الصوت عبر وسيط لا يتلامس مباشرة مع عضو السمع البشري ، فقد لا يُسمع مثل هذا الصوت أو يضعف كثيرًا لاحقًا.

في المصطلحات الموسيقية للصوت ، هناك تسميات مهمة مثل الأوكتاف والنغمة ونغمة الصوت. اوكتافتعني الفترة التي تكون فيها نسبة الترددات بين الأصوات من 1 إلى 2. عادةً ما يكون الأوكتاف مسموعًا جدًا ، بينما يمكن أن تكون الأصوات ضمن هذه الفترة متشابهة جدًا مع بعضها البعض. يمكن أيضًا تسمية الأوكتاف بصوت يصدر ضعف عدد الاهتزازات مثل صوت آخر في نفس الفترة الزمنية. على سبيل المثال ، تردد 800 هرتز ليس سوى أوكتاف أعلى من 400 هرتز ، وتردد 400 هرتز هو بدوره أوكتاف الصوت التالي بتردد 200 هرتز. يتكون الأوكتاف من النغمات والنغمات. الاهتزازات المتغيرة في الموجة الصوتية التوافقية ذات التردد الواحد تدركها الأذن البشرية على أنها نغمة موسيقية. يمكن تفسير الاهتزازات عالية التردد على أنها أصوات عالية النبرة ، واهتزازات منخفضة التردد كأصوات منخفضة النبرة. تستطيع الأذن البشرية تمييز الأصوات بوضوح باختلاف نغمة واحدة (في نطاق يصل إلى 4000 هرتز). على الرغم من ذلك ، يتم استخدام عدد قليل جدًا من النغمات في الموسيقى. يفسر هذا من اعتبارات مبدأ التوافق التوافقي ، كل شيء يعتمد على مبدأ الأوكتافات.

تأمل نظرية النغمات الموسيقية باستخدام مثال وتر مشدود بطريقة معينة. مثل هذا الخيط ، اعتمادًا على قوة الشد ، سيتم "ضبطه" على تردد معين. عندما يتعرض هذا الوتر لشيء ما بقوة معينة ، مما يؤدي إلى اهتزازه ، ستتم ملاحظة نغمة واحدة محددة من الصوت بشكل ثابت ، وسنسمع تردد التوليف المطلوب. يسمى هذا الصوت النغمة الأساسية. بالنسبة للنغمة الرئيسية في المجال الموسيقي ، فإن تردد النوتة الموسيقية "la" لأول أوكتاف ، يساوي 440 هرتز ، مقبول رسميًا. ومع ذلك ، فإن معظم الآلات الموسيقية لا تعيد إنتاج نغمات أساسية نقية بمفردها ؛ فهي مصحوبة حتما بنغمات تسمى النغمات. هنا من المناسب أن نتذكر تعريفًا مهمًا للصوتيات الموسيقية ، مفهوم جرس الصوت. طابع الصوت- هذه ميزة من سمات الأصوات الموسيقية التي تمنح الآلات الموسيقية والأصوات خصوصيتها الفريدة التي يمكن التعرف عليها من الصوت ، حتى عند مقارنة الأصوات من نفس الدرجة والجهارة. يعتمد جرس كل آلة موسيقية على توزيع الطاقة الصوتية على النغمات في لحظة ظهور الصوت.

تشكل النغمات الصوتية لونًا محددًا للنغمة الأساسية ، حيث يمكننا بسهولة التعرف على أداة معينة والتعرف عليها ، وكذلك التمييز بوضوح بين صوتها وأداة أخرى. هناك نوعان من الدلالات: متناسق وغير متناسق. النغمات التوافقيةهي ، بالتعريف ، مضاعفات التردد الأساسي. على العكس من ذلك ، إذا كانت النغمات ليست مضاعفات وتنحرف بشكل ملحوظ عن القيم ، فيتم تسميتها غير منسجم. في الموسيقى ، يتم استبعاد عملية النغمات غير المتعددة عمليًا ، وبالتالي يتم تقليل المصطلح إلى مفهوم "overtone" ، أي التوافقية. بالنسبة لبعض الآلات ، على سبيل المثال ، البيانو ، فإن النغمة الرئيسية ليس لديها وقت لتشكيلها ، في فترة قصيرة تزداد الطاقة الصوتية للنغمات ، ثم يحدث الانخفاض بنفس السرعة. تخلق العديد من الأدوات ما يسمى بتأثير "النغمة الانتقالية" ، عندما تكون طاقة نغمات معينة في الحد الأقصى في وقت معين ، عادةً في البداية ، ولكن بعد ذلك تتغير فجأة وتتحرك إلى نغمات أخرى. يمكن النظر في نطاق التردد لكل أداة على حدة وعادة ما يكون مقيدًا بترددات النغمات الأساسية التي يمكن لهذا الجهاز المعين إعادة إنتاجها.

في نظرية الصوت يوجد أيضًا شيء مثل الضوضاء. ضوضاء- هذا هو أي صوت يتم إنشاؤه بواسطة مجموعة من المصادر غير المتوافقة مع بعضها البعض. يدرك الجميع جيدًا ضوضاء أوراق الأشجار ، التي تتمايل بفعل الرياح ، وما إلى ذلك.

ما الذي يحدد حجم الصوت؟من الواضح أن هذه الظاهرة تعتمد بشكل مباشر على كمية الطاقة التي تحملها الموجة الصوتية. لتحديد المؤشرات الكمية لجهارة الصوت ، هناك مفهوم - شدة الصوت. شدة الصوتيتم تعريفه على أنه تدفق الطاقة الذي يمر عبر مساحة معينة من الفضاء (على سبيل المثال ، سم 2) لكل وحدة زمنية (على سبيل المثال ، في الثانية). في محادثة عادية ، تكون الشدة حوالي 9 أو 10 واط / سم 2. الأذن البشرية قادرة على إدراك الأصوات بنطاق واسع إلى حد ما من الحساسية ، في حين أن حساسية الترددات ليست موحدة داخل طيف الصوت. لذا فإن أفضل نطاق تردد محسوس هو 1000 هرتز - 4000 هرتز ، والذي يغطي على نطاق واسع الكلام البشري.

نظرًا لأن الأصوات تتفاوت كثيرًا في شدتها ، فمن الأنسب اعتبارها قيمة لوغاريتمية وقياسها بالديسيبل (بعد العالم الاسكتلندي ألكسندر جراهام بيل). الحد الأدنى لحساسية السمع للأذن البشرية هو 0 ديسيبل ، والحد الأعلى هو 120 ديسيبل ، ويسمى أيضًا " عتبة الألم". لا تدرك الأذن البشرية أيضًا الحد الأعلى للحساسية بنفس الطريقة ، ولكنها تعتمد على التردد المحدد. يجب أن تكون للأصوات منخفضة التردد شدة أكبر بكثير من الأصوات العالية من أجل إحداث عتبة ألم. على سبيل المثال ، تحدث عتبة الألم عند تردد منخفض يبلغ 31.5 هرتز عند مستوى قوة صوت 135 ديسيبل ، عندما يظهر الإحساس بالألم عند تردد 2000 هرتز بالفعل عند 112 ديسيبل ، وهناك أيضًا مفهوم ضغط الصوت ، والذي يوسع فعليًا الشرح المعتاد لانتشار الموجة الصوتية في الهواء. ضغط الصوت- هذا هو الضغط الزائد المتغير الذي يحدث في وسط مرن نتيجة مرور موجة صوتية خلاله.

طبيعة موجة الصوت

لفهم نظام توليد الموجات الصوتية بشكل أفضل ، تخيل مكبر صوت كلاسيكي موجود في أنبوب مملوء بالهواء. إذا قام مكبر الصوت بحركة أمامية حادة ، فسيتم ضغط الهواء الموجود في المنطقة المجاورة مباشرة للناشر للحظة. بعد ذلك ، سوف يتمدد الهواء ، وبالتالي يتم دفع منطقة الهواء المضغوط على طول الأنبوب.
هذه الحركة الموجية هي التي ستصبح الصوت لاحقًا عندما تصل إلى العضو السمعي و "تثير" طبلة الأذن. عندما تحدث موجة صوتية في الغاز ، يتم إنشاء ضغط وكثافة زائدين ، وتتحرك الجسيمات بسرعة ثابتة. فيما يتعلق بالموجات الصوتية ، من المهم أن نتذكر حقيقة أن المادة لا تتحرك جنبًا إلى جنب مع الموجة الصوتية ، ولكن يحدث اضطراب مؤقت في الكتل الهوائية.

إذا تخيلنا مكبسًا معلقًا في مساحة خالية على زنبرك ويقوم بحركات متكررة "للأمام والخلف" ، فإن هذه التذبذبات ستسمى متناسقة أو جيبية (إذا كنا نمثل الموجة في شكل رسم بياني ، فعندئذ في هذه الحالة نحصل على موجة جيبية نقية مع صعود وهبوط متكرر). إذا تخيلنا مكبر صوت في أنبوب (كما في المثال الموصوف أعلاه) ، يقوم بأداء اهتزازات توافقية ، ففي اللحظة التي يتحرك فيها السماعة "للأمام" ، يتم الحصول على التأثير المعروف بالفعل لضغط الهواء ، وعندما يتحرك السماعة "للخلف" ، يتم الحصول على التأثير العكسي للخلخلة. في هذه الحالة ، تنتشر موجة من الضغط المتناوب والخلخلة عبر الأنبوب. سيتم استدعاء المسافة على طول الأنبوب بين الحدود القصوى أو الصغرى المجاورة (المراحل) الطول الموجي. إذا كانت الجسيمات تتأرجح بالتوازي مع اتجاه انتشار الموجة ، فإن الموجة تسمى طولي. إذا كانت تتأرجح بشكل عمودي على اتجاه الانتشار ، فإن الموجة تسمى مستعرض. عادةً ما تكون الموجات الصوتية في الغازات والسوائل طولية ، بينما في المواد الصلبة ، يمكن أن تحدث موجات من كلا النوعين. تنشأ الموجات المستعرضة في المواد الصلبة بسبب مقاومة تغير الشكل. الفرق الرئيسي بين هذين النوعين من الموجات هو أن الموجة المستعرضة لها خاصية الاستقطاب (تحدث التذبذبات في مستوى معين) ، بينما الموجة الطولية ليست كذلك.

سرعة الصوت

تعتمد سرعة الصوت بشكل مباشر على خصائص الوسط الذي ينتشر فيه. يتم تحديده (تابع) من خلال خاصيتين للوسيط: مرونة وكثافة المادة. تعتمد سرعة الصوت في المواد الصلبة ، على التوالي ، بشكل مباشر على نوع المادة وخصائصها. تعتمد السرعة في الوسائط الغازية على نوع واحد فقط من التشوه المتوسط: الانضغاط - الخلخلة. يحدث التغيير في الضغط في الموجة الصوتية دون تبادل حراري مع الجسيمات المحيطة ويسمى ثابت الحرارة.
تعتمد سرعة الصوت في الغاز بشكل أساسي على درجة الحرارة - فهي تزداد مع زيادة درجة الحرارة وتنخفض مع تناقصها. أيضًا ، تعتمد سرعة الصوت في الوسط الغازي على حجم وكتلة جزيئات الغاز نفسها - فكلما كانت كتلة الجزيئات وحجمها أصغر ، زادت "موصلية" الموجة وزادت السرعة على التوالي.

في الوسائط السائلة والصلبة ، يتشابه مبدأ الانتشار وسرعة الصوت مع كيفية انتشار الموجة في الهواء: عن طريق تفريغ الضغط. ولكن في هذه الوسائط ، بالإضافة إلى نفس الاعتماد على درجة الحرارة ، فإن كثافة الوسط وتكوينه / هيكله مهمة جدًا. كلما انخفضت كثافة المادة ، زادت سرعة الصوت والعكس صحيح. يعتبر الاعتماد على تركيبة الوسيط أكثر تعقيدًا ويتم تحديده في كل حالة محددة ، مع مراعاة موقع وتفاعل الجزيئات / الذرات.

سرعة الصوت في الهواء عند t ، درجة مئوية 20: 343 م / ث
سرعة الصوت في الماء المقطر عند درجة حرارة 20: 1481 م / ث
سرعة الصوت في الفولاذ عند درجة حرارة 20: 5000 م / ث

الموجات الدائمة والتدخل

عندما يخلق مكبر صوت موجات صوتية في مكان ضيق ، فإن تأثير انعكاس الموجة من الحدود يحدث حتمًا. نتيجة لذلك ، في أغلب الأحيان تأثير التدخل- عند تراكب موجتين صوتيتين أو أكثر على بعضهما البعض. مناسبات خاصةظواهر التداخل هي تشكيل: 1) موجات نابضة أو 2) موجات واقفة. إيقاع الأمواج- هذا هو الحال عندما يكون هناك إضافة موجات ذات ترددات واتساعات متقاربة. نمط حدوث النبضات: عندما يتم فرض موجتين متشابهتين في التردد على بعضهما البعض. في وقت ما ، مع مثل هذا التداخل ، قد تتزامن قمم السعة "في الطور" ، وقد تتزامن أيضًا فترات الانكماش في "الطور المضاد". هذه هي الطريقة التي تتميز بها دقات الصوت. من المهم أن نتذكر أنه على عكس الموجات الواقفة ، فإن مصادفات الطور للقمم لا تحدث باستمرار ، ولكن في فترات زمنية معينة. عن طريق الأذن ، يختلف هذا النمط من الضربات بشكل واضح ، ويُسمع على أنه زيادة دورية وانخفاض في الحجم ، على التوالي. آلية حدوث هذا التأثير بسيطة للغاية: في لحظة تزامن القمم ، يزداد الحجم ، في لحظة تزامن فترات الركود ، ينخفض ​​الحجم.

الموجات الموقوفهتنشأ في حالة تراكب موجتين لهما نفس السعة والطور والتردد ، عندما "تلتقي" هذه الموجات ، تتحرك إحداهما في الاتجاه الأمامي والأخرى في الاتجاه المعاكس. في منطقة الفضاء (حيث تشكلت موجة واقفة) ، تظهر صورة تراكب لاثنين من سعات التردد ، مع الحد الأقصى المتناوب (ما يسمى بالعقد العكسية) والحد الأدنى (ما يسمى بالعقد). عندما تحدث هذه الظاهرة ، فإن معامل التردد والطور والتوهين للموجة في مكان الانعكاس مهم للغاية. على عكس الموجات المتنقلة ، لا يوجد نقل للطاقة في الموجة الواقفة بسبب حقيقة أن الموجات الأمامية والخلفية التي تشكل هذه الموجة تحمل الطاقة بكميات متساوية في الاتجاهين الأمامي والمعاكس. لفهم مرئي لحدوث الموجة الواقفة ، دعنا نتخيل مثالًا من الصوتيات المنزلية. لنفترض أن لدينا مكبرات صوت ثابتة على الأرض في مساحة محدودة (غرفة). بعد جعلهم يلعبون بعض الأغاني مع الكثير من الجهير ، دعونا نحاول تغيير موقع المستمع في الغرفة. وهكذا ، فإن المستمع ، بعد دخوله منطقة الحد الأدنى (الطرح) للموجة الواقفة ، سيشعر بتأثير أن الجهير أصبح صغيرًا جدًا ، وإذا دخل المستمع منطقة الحد الأقصى (الإضافة) للترددات ، فعكس ذلك تم الحصول على تأثير زيادة معنوية في منطقة الجهير. في هذه الحالة ، لوحظ التأثير في جميع أوكتافات التردد الأساسي. على سبيل المثال ، إذا كان التردد الأساسي هو 440 هرتز ، فسيتم أيضًا ملاحظة ظاهرة "الجمع" أو "الطرح" عند ترددات 880 هرتز ، 1760 هرتز ، 3520 هرتز ، إلخ.

ظاهرة الرنين

معظم المواد الصلبة لها تردد الرنين الخاص بها. لفهم هذا التأثير بسيط للغاية في مثال الأنبوب التقليدي ، يفتح فقط من طرف واحد. دعنا نتخيل موقفًا حيث يتم توصيل مكبر صوت من الطرف الآخر للأنبوب ، والذي يمكنه تشغيل تردد واحد ثابت ، ويمكن أيضًا تغييره لاحقًا. لذا ، فإن الأنبوب له تردد الرنين الخاص به ، قائلاً لغة بسيطةهو التردد الذي يرن فيه البوق أو يصدر صوته. إذا تزامن تردد السماعة (نتيجة الضبط) مع تردد الرنين للأنبوب ، فسيكون هناك تأثير لزيادة الصوت عدة مرات. وذلك لأن مكبر الصوت يثير اهتزازات عمود الهواء في الأنبوب بسعة كبيرة حتى يتم العثور على نفس "تردد الرنين" ويحدث تأثير الإضافة. يمكن وصف الظاهرة الناتجة على النحو التالي: الأنبوب في هذا المثال "يساعد" المتحدث عن طريق الرنين بتردد معين ، وتضيف جهودهم و "تصب" في تأثير صوتي عالٍ. في مثال الآلات الموسيقية ، يمكن تتبع هذه الظاهرة بسهولة ، لأن تصميم الأغلبية يحتوي على عناصر تسمى الرنانات. ليس من الصعب تخمين ما يخدم الغرض من تضخيم تردد معين أو نغمة موسيقية. على سبيل المثال: جسم جيتار به مرنان على شكل ثقب يتوافق مع الحجم ؛ تصميم الأنبوب في الفلوت (وجميع الأنابيب بشكل عام) ؛ الشكل الأسطواني لجسم الأسطوانة ، والذي هو في حد ذاته مرنان بتردد معين.

الطيف الترددي للصوت والاستجابة الترددية

نظرًا لعدم وجود موجات من نفس التردد عمليًا ، يصبح من الضروري تحليل الطيف الصوتي بأكمله للمدى المسموع إلى نغمات إيحائية أو التوافقيات. لهذه الأغراض ، توجد رسوم بيانية تعرض اعتماد الطاقة النسبية لاهتزازات الصوت على التردد. يسمى هذا الرسم البياني بالرسم البياني لطيف التردد الصوتي. طيف تردد الصوتهناك نوعان: منفصل ومستمر. يعرض مخطط الطيف المنفصل الترددات بشكل فردي ، مفصولة بمسافات فارغة. في الطيف المستمر ، توجد جميع ترددات الصوت مرة واحدة.
في حالة الموسيقى أو الصوتيات ، غالبًا ما يتم استخدام الجدول الزمني المعتاد. خصائص الذروة إلى التردد(يختصر "AFC"). يوضح هذا الرسم البياني اعتماد اتساع اهتزازات الصوت على التردد في جميع أنحاء طيف التردد بأكمله (20 هرتز - 20 كيلو هرتز). بالنظر إلى مثل هذا الرسم البياني ، من السهل فهم ، على سبيل المثال ، نقاط القوة أو الضعف في مكبر صوت معين أو نظام مكبر صوت معين ككل ، وأقوى مناطق عودة الطاقة ، وانخفاض التردد والارتفاع ، والتوهين ، وكذلك تتبع شدة الانحدار.

انتشار الموجات الصوتية والمرحلة والطور المضاد

تحدث عملية انتشار الموجات الصوتية في جميع الاتجاهات من المصدر. أبسط مثال لفهم هذه الظاهرة: إلقاء حصاة في الماء.
من مكان سقوط الحجر ، تبدأ الموجات بالتباعد على سطح الماء في كل الاتجاهات. ومع ذلك ، دعونا نتخيل موقفًا يستخدم مكبر صوت بمستوى صوت معين ، دعنا نقول صندوقًا مغلقًا ، متصل بمكبر للصوت ويقوم بتشغيل نوع من الإشارات الموسيقية. من السهل ملاحظة (خاصة إذا أعطيت إشارة قوية منخفضة التردد ، مثل أسطوانة الجهير) ، أن السماعة تقوم بحركة سريعة "للأمام" ، ثم نفس الحركة السريعة "للخلف". يبقى أن نفهم أنه عندما يتحرك المتحدث إلى الأمام ، فإنه يصدر موجة صوتية نسمعها بعد ذلك. لكن ماذا يحدث عندما يتحرك المتحدث للخلف؟ ولكن من المفارقات ، أن نفس الشيء يحدث ، حيث يصدر المتحدث الصوت نفسه ، وينتشر فقط في مثالنا بالكامل داخل حجم الصندوق ، دون تجاوزه (الصندوق مغلق). بشكل عام ، في المثال أعلاه ، يمكن للمرء أن يلاحظ الكثير من الظواهر الفيزيائية المثيرة للاهتمام ، وأهمها مفهوم المرحلة.

الموجة الصوتية التي يشعها مكبر الصوت في اتجاه المستمع - "في الطور". الموجة العكسية ، التي تدخل في حجم الصندوق ، ستكون في المقابل طورًا مضادًا. يبقى فقط لفهم ما تعنيه هذه المفاهيم؟ مرحلة الإشارة- هذا هو مستوى ضغط الصوت في الوقت الحالي في نقطة ما في الفضاء. يمكن فهم المرحلة بسهولة أكبر من خلال مثال تشغيل مادة موسيقية بواسطة زوج من مكبرات الصوت المنزلية التقليدية المثبتة على الأرض. دعنا نتخيل أن اثنين من مكبرات الصوت المثبتة على الأرض مثبتة في غرفة معينة واللعب. يقوم كلا مكبري الصوت في هذه الحالة بإعادة إنتاج إشارة ضغط صوت متغير متزامن ، علاوة على ذلك ، يتم إضافة ضغط الصوت لأحد السماعات إلى ضغط الصوت للسماعة الأخرى. يحدث تأثير مماثل بسبب تزامن إعادة إنتاج إشارة مكبرات الصوت اليمنى واليسرى ، على التوالي ، بمعنى آخر ، تتزامن قمم ووديان الموجات المنبعثة من مكبرات الصوت اليمنى واليسرى.

الآن دعونا نتخيل أن ضغوط الصوت لا تزال تتغير بنفس الطريقة (لم تتغير) ، لكنها الآن معاكسة لبعضها البعض. يمكن أن يحدث هذا إذا قمت بتوصيل أحد مكبري الصوت في قطبية عكسية (كبل "+" من مكبر الصوت إلى الطرف "-" في نظام السماعات ، وكبل "-" من مكبر الصوت إلى الطرف "+" الخاص بمكبر الصوت النظام). في هذه الحالة ، ستسبب الإشارة المعاكسة للاتجاه اختلافًا في الضغط ، والذي يمكن تمثيله كأرقام على النحو التالي: سيخلق السماعة اليسرى ضغطًا قدره "1 باسكال" ، وسيخلق السماعة اليمنى ضغط "ناقص 1 باسكال ". نتيجة لذلك ، سيكون إجمالي حجم الصوت في موضع المستمع مساويًا للصفر. هذه الظاهرة تسمى الطور المضاد. إذا أخذنا في الاعتبار المثال بمزيد من التفصيل لفهمه ، فقد اتضح أن ديناميكيتين تلعبان "في الطور" تخلقان نفس مناطق ضغط الهواء والخلخلة ، والتي تساعد بعضها البعض في الواقع. في حالة الطور المضاد المثالي ، فإن منطقة ضغط الفضاء الجوي التي تم إنشاؤها بواسطة مكبر صوت واحد ستكون مصحوبة بمنطقة خلخلة في الفضاء الجوي تم إنشاؤها بواسطة مكبر الصوت الثاني. يبدو تقريبًا مثل ظاهرة التخميد المتزامن المتبادل للموجات. صحيح ، من الناحية العملية ، لا ينخفض ​​مستوى الصوت إلى الصفر ، وسنسمع صوتًا مشوهًا ومضعفًا بشدة.

بالطريقة الأكثر سهولة ، يمكن وصف هذه الظاهرة على النحو التالي: إشارتان لهما نفس التذبذبات (التردد) ، لكن تم تغييرهما في الوقت المناسب. في ضوء ذلك ، من الأنسب تمثيل ظاهرة الإزاحة هذه باستخدام مثال الساعات الدائرية العادية. لنتخيل أن عدة ساعات دائرية متطابقة معلقة على الحائط. عندما تعمل العقارب الثانية لهذه الساعات بشكل متزامن ، 30 ثانية على إحدى الساعات و 30 ثانية على الأخرى ، فهذا مثال على إشارة في الطور. إذا كان عقرب الثواني يعملان بإزاحة ، لكن السرعة لا تزال كما هي ، على سبيل المثال ، في ساعة واحدة لمدة 30 ثانية ، وفي الساعات الأربع والعشرين الأخرى ، فهذا مثال كلاسيكي على تحول الطور (التحول). بالطريقة نفسها ، تقاس المرحلة بالدرجات ، داخل دائرة افتراضية. في هذه الحالة ، عندما يتم إزاحة الإشارات بالنسبة لبعضها البعض بمقدار 180 درجة (نصف الفترة) ، يتم الحصول على طور مضاد كلاسيكي. في كثير من الأحيان في الممارسة العملية ، هناك تحولات طفيفة في الطور ، والتي يمكن أيضًا تحديدها بالدرجات وإزالتها بنجاح.

الموجات مسطحة وكروية. تنتشر واجهة الموجة المسطحة في اتجاه واحد فقط ونادرًا ما تتم مواجهتها في الممارسة العملية. واجهة الموجة الكروية هي نوع بسيط من الموجات التي تشع من نقطة واحدة وتنتشر في جميع الاتجاهات. الموجات الصوتية لها خاصية الانحراف، بمعنى آخر. القدرة على تجنب العقبات والأشياء. تعتمد درجة الغلاف على نسبة طول الموجة الصوتية إلى أبعاد العائق أو الثقب. يحدث الانعراج أيضًا عند وجود عائق في مسار الصوت. في هذه الحالة ، هناك سيناريوهان محتملان: 1) إذا كانت أبعاد العائق أكبر بكثير من الطول الموجي ، فإن الصوت ينعكس أو يمتص (اعتمادًا على درجة امتصاص المادة ، وسمك العائق ، إلخ. ) ، وتتشكل منطقة "الظل الصوتي" خلف العائق. 2) إذا كانت أبعاد العائق قابلة للمقارنة مع الطول الموجي أو حتى أقل منه ، فإن الصوت ينحرف إلى حد ما في جميع الاتجاهات. إذا اصطدمت موجة صوتية ، عند التحرك في وسيط واحد ، بالواجهة مع وسيط آخر (على سبيل المثال ، وسط هواء به وسط صلب) ، فقد تظهر ثلاثة سيناريوهات: 1) ستنعكس الموجة من الواجهة 2) الموجة يمكن أن تمر إلى وسط آخر دون تغيير الاتجاه 3) يمكن أن تمر الموجة إلى وسط آخر مع تغيير الاتجاه عند الحد ، وهذا ما يسمى "انكسار الموجة".

تسمى نسبة الضغط الزائد لموجة صوتية إلى السرعة الحجمية المتذبذبة بمقاومة الموجة. بكلمات بسيطة ، مقاومة الموجة للوسطيمكن تسميتها بالقدرة على امتصاص الموجات الصوتية أو "مقاومتها". تعتمد معاملات الانعكاس والانتقال بشكل مباشر على نسبة الممانعات الموجية للوسيطتين. تكون مقاومة الموجة في وسط غاز أقل بكثير من مقاومة الماء أو المواد الصلبة. لذلك ، إذا حدثت موجة صوتية في الهواء على جسم صلب أو على سطح المياه العميقة ، فإن الصوت إما ينعكس من السطح أو يُمتص إلى حد كبير. يعتمد ذلك على سمك السطح (الماء أو الصلب) الذي تسقط عليه الموجة الصوتية المرغوبة. مع سماكة منخفضة لوسط صلب أو سائل ، فإن الموجات الصوتية "تمر" بشكل كامل تقريبًا ، والعكس صحيح ، مع سماكة الوسط الكبيرة ، تنعكس الموجات في كثير من الأحيان. في حالة انعكاس الموجات الصوتية ، تحدث هذه العملية وفقًا لقانون فيزيائي معروف: "زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس". في هذه الحالة ، عندما تصطدم موجة من وسيط ذي كثافة منخفضة بالحد بمتوسط ​​كثافة أعلى ، تحدث الظاهرة الانكسار. يتكون من ثني (انكسار) موجة صوتية بعد "لقاء" مع عائق ، ويكون بالضرورة مصحوبًا بتغيير في السرعة. يعتمد الانكسار أيضًا على درجة حرارة الوسط الذي يحدث فيه الانعكاس.

في عملية انتشار الموجات الصوتية في الفضاء ، تقل شدتها حتمًا ، يمكننا القول توهين الموجات وضعف الصوت. من الناحية العملية ، من السهل جدًا مواجهة مثل هذا التأثير: على سبيل المثال ، إذا كان شخصان يقفان في حقل على مسافة قريبة (متر أو أقرب) ويبدآن التحدث مع بعضهما البعض. إذا قمت بعد ذلك بزيادة المسافة بين الأشخاص (إذا بدأوا في الابتعاد عن بعضهم البعض) ، فإن نفس المستوى من حجم المحادثة سيصبح أقل وأقل سماعًا. مثال مشابه يوضح بوضوح ظاهرة تقليل شدة الموجات الصوتية. لماذا يحدث هذا؟ والسبب في ذلك هو العمليات المختلفة لنقل الحرارة والتفاعل الجزيئي والاحتكاك الداخلي للموجات الصوتية. في أغلب الأحيان ، يحدث تحويل الطاقة الصوتية إلى طاقة حرارية. تنشأ مثل هذه العمليات حتماً في أي من وسائط انتشار الصوت الثلاثة ويمكن وصفها بأنها امتصاص الموجات الصوتية.

تعتمد شدة ودرجة امتصاص الموجات الصوتية على العديد من العوامل ، مثل الضغط ودرجة حرارة الوسط. يعتمد الامتصاص أيضًا على التردد المحدد للصوت. عندما تنتشر الموجة الصوتية في السوائل أو الغازات ، يكون هناك تأثير للاحتكاك بين الجسيمات المختلفة ، وهو ما يسمى اللزوجة. نتيجة لهذا الاحتكاك على المستوى الجزيئي ، تحدث عملية تحول الموجة من الصوت إلى الحرارة. بمعنى آخر ، كلما زادت الموصلية الحرارية للوسط ، انخفضت درجة امتصاص الموجة. يعتمد امتصاص الصوت في الوسائط الغازية أيضًا على الضغط (يتغير الضغط الجوي مع زيادة الارتفاع بالنسبة إلى مستوى سطح البحر). أما بالنسبة لاعتماد درجة الامتصاص على تردد الصوت ، فبالنظر إلى التبعيات المذكورة أعلاه من اللزوجة والتوصيل الحراري ، يكون امتصاص الصوت أعلى ، وكلما زاد تردده. على سبيل المثال ، عند درجة الحرارة العادية والضغط ، في الهواء ، يكون امتصاص موجة بتردد 5000 هرتز 3 ديسيبل / كم ، وامتصاص موجة بتردد 50000 هرتز سيكون بالفعل 300 ديسيبل / م.

في الوسائط الصلبة ، يتم الحفاظ على جميع التبعيات المذكورة أعلاه (التوصيل الحراري واللزوجة) ، ولكن تمت إضافة بعض الشروط الأخرى إلى ذلك. ترتبط بالتركيب الجزيئي للمواد الصلبة ، والتي يمكن أن تكون مختلفة ، مع عدم تجانسها. اعتمادًا على هذا التركيب الجزيئي الصلب الداخلي ، يمكن أن يكون امتصاص الموجات الصوتية في هذه الحالة مختلفًا ، ويعتمد على نوع مادة معينة. عندما يمر الصوت عبر جسم صلب ، تخضع الموجة لسلسلة من التحولات والتشوهات ، والتي غالبًا ما تؤدي إلى تشتت وامتصاص الطاقة الصوتية. على المستوى الجزيئي ، يمكن أن يحدث تأثير الاضطرابات ، عندما تتسبب الموجة الصوتية في إزاحة الطائرات الذرية ، والتي تعود بعد ذلك إلى موقعها الأصلي. أو أن حركة الاضطرابات تؤدي إلى تصادم مع الاضطرابات المتعامدة عليها أو عيوبًا في التركيب البلوري مما يؤدي إلى تباطؤها وبالتالي امتصاص بعض الموجات الصوتية. ومع ذلك ، قد يتردد صدى الموجة الصوتية أيضًا مع هذه العيوب ، مما يؤدي إلى تشويه الموجة الأصلية. تتشتت طاقة الموجة الصوتية في لحظة التفاعل مع عناصر التركيب الجزيئي للمادة نتيجة لعمليات الاحتكاك الداخلي.

سأحاول في هذا المقال تحليل سمات الإدراك السمعي البشري وبعض التفاصيل الدقيقة وخصائص انتشار الصوت.

الصوت عبارة عن موجات مرنة في وسط (غالبًا ما يكون الهواء) غير مرئي ولكن محسوس للأذن البشرية (تعمل الموجة على طبلة الأذن). الموجة الصوتية هي موجة ضغط طولية وخلخلة.

إذا أنشأنا فراغًا ، فهل سنتمكن من تمييز الأصوات؟ وضع روبرت بويل ساعة في وعاء زجاجي عام 1660. عندما قام بضخ الهواء ، لم يسمع أي صوت. التجربة تثبت ذلك هناك حاجة إلى وسيط لنشر الصوت.

يمكن أن ينتشر الصوت أيضًا في الوسائط السائلة والصلبة. تحت الماء يمكنك سماع تأثيرات الحجارة بوضوح. ضع الساعة على أحد طرفي اللوح الخشبي. من خلال وضع أذنك على الطرف الآخر ، يمكنك سماع دقات الساعة بوضوح.

تنتشر الموجة الصوتية عبر الخشب

مصدر الصوت هو بالضرورة جسم متذبذب. على سبيل المثال ، لا يبدو وتر الجيتار في حالته الطبيعية ، ولكن بمجرد أن نجعله يتأرجح ، تنشأ موجة صوتية.

ومع ذلك ، تظهر التجربة أنه ليس كل جسم مهتز هو مصدر الصوت. على سبيل المثال ، الوزن المعلق على الخيط لا يصدر صوتًا. الحقيقة هي أن الأذن البشرية لا ترى كل الموجات ، ولكن فقط تلك التي تخلق أجسامًا تتأرجح بتردد من 16 هرتز إلى 20000 هرتز. تسمى هذه الموجات يبدو. تسمى التذبذبات التي يقل ترددها عن 16 هرتز دون صوت. تسمى التذبذبات التي يزيد ترددها عن 20000 هرتز الموجات فوق الصوتية.

سرعة الصوت

لا تنتشر الموجات الصوتية على الفور ، ولكن بسرعة محدودة معينة (على غرار سرعة الحركة المنتظمة).

هذا هو السبب في أننا خلال العاصفة الرعدية نرى أولاً البرق ، أي الضوء (سرعة الضوء أكبر بكثير من سرعة الصوت) ، ثم يُسمع الصوت.

تعتمد سرعة الصوت على الوسيط: في المواد الصلبة والسائلة ، تكون سرعة الصوت أكبر بكثير من سرعة الهواء. هذه ثوابت مُقاسة جدوليًا. مع زيادة درجة حرارة الوسط تزداد سرعة الصوت وتنخفض مع انخفاضها.

الأصوات مختلفة. لتوصيف الصوت ، يتم إدخال كميات خاصة: جهارة الصوت ودرجة الصوت وجرسه.

يعتمد ارتفاع الصوت على اتساع التذبذبات: فكلما زاد اتساع التذبذبات ، ارتفع الصوت. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إدراك جهارة الصوت بواسطة الأذن يعتمد على تردد الاهتزازات في الموجة الصوتية. يُنظر إلى موجات التردد العالي على أنها أعلى صوتًا.

يحدد تردد الموجة الصوتية درجة الصوت. كلما زاد تردد اهتزاز مصدر الصوت ، زاد الصوت الناتج منه. تنقسم الأصوات البشرية إلى عدة نطاقات حسب نبراتها.

أصوات من مصادر مختلفةهو مزيج من التذبذبات التوافقية للترددات المختلفة. يُطلق على مكون الفترة الأكبر (أدنى تردد) النغمة الأساسية. بقية مكونات الصوت هي نغمات إيحائية. مجموعة هذه المكونات تخلق التلوين ، جرس الصوت. يختلف مجموع النغمات في أصوات الأشخاص المختلفين قليلاً على الأقل ، لكن هذا يحدد جرس صوت معين.

صدى صوت. يتكون الصدى نتيجة انعكاس الصوت من مختلف العوائق - الجبال والغابات والجدران والمباني الكبيرة ، إلخ. يحدث الصدى فقط عندما يُنظر إلى الصوت المنعكس بشكل منفصل عن الصوت الأصلي المنطوق. إذا كان هناك العديد من الأسطح العاكسة وكانت على مسافات مختلفة عن الشخص ، فإن الموجات الصوتية المنعكسة ستصل إليه في أوقات مختلفة. في هذه الحالة ، سيكون صدى الصوت متعددًا. يجب أن يكون العائق على مسافة 11 مترًا من الشخص لسماع صدى الصوت.

انعكاس الصوت.يرتد الصوت عن الأسطح الملساء. لذلك ، عند استخدام البوق ، لا تنتشر الموجات الصوتية في جميع الاتجاهات ، ولكنها تشكل شعاعًا ضيقًا ، مما يزيد من قوة الصوت وينتشر على مسافة أكبر.

تصدر بعض الحيوانات (على سبيل المثال ، الخفافيش أو الدلفين) اهتزازات فوق صوتية ، ثم تدرك الموجة المنعكسة من العوائق. لذا فهم يحددون الموقع والمسافة إلى الأشياء المحيطة.

تحديد الموقع بالصدى. هذه طريقة لتحديد موقع الأجسام عن طريق الإشارات فوق الصوتية المنعكسة منها. تستخدم على نطاق واسع في الملاحة. مثبتة على السفن السونارات- أجهزة للتعرف على الأجسام الموجودة تحت الماء وتحديد عمق وطبوغرافيا القاع. يتم وضع باعث ومستقبل صوت في قاع الوعاء. يعطي الباعث إشارات قصيرة. من خلال تحليل وقت التأخير واتجاه الإشارات المرتدة ، يحدد الكمبيوتر موضع وحجم الكائن الذي يعكس الصوت.

تستخدم الموجات فوق الصوتية لاكتشاف وتحديد الأضرار المختلفة في أجزاء الماكينة (الفراغات والشقوق وما إلى ذلك). الجهاز المستخدم لهذا الغرض يسمى كاشف الخلل بالموجات فوق الصوتية. يتم توجيه تيار من إشارات الموجات فوق الصوتية القصيرة إلى الجزء قيد الدراسة ، والتي تنعكس من عدم التجانس بداخلها وتسقط في جهاز الاستقبال. في تلك الأماكن التي لا توجد بها عيوب ، تمر الإشارات عبر الجزء دون انعكاس كبير ولا يتم تسجيلها بواسطة جهاز الاستقبال.

تستخدم الموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في الطب لتشخيص وعلاج أمراض معينة. على عكس الأشعة السينية ، فإن موجاتها ليس لها تأثير ضار على الأنسجة. التشخيص فحوصات الموجات فوق الصوتية(الموجات فوق الصوتية)تسمح بدون تدخل جراحيالتعرف على التغيرات المرضية في الأعضاء والأنسجة. جهاز خاص يرسل موجات فوق صوتية بتردد من 0.5 الى 15 ميغا هيرتز الى جزء معين من الجسم تنعكس من العضو قيد الدراسة ويعرض الحاسوب صورته على الشاشة.

تتميز الأشعة تحت الصوتية بامتصاص منخفض في مختلف الوسائط ، ونتيجة لذلك يمكن أن تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء والماء وقشرة الأرض على مسافات طويلة جدًا. هذه الظاهرة تجد التطبيق العملي في تحديد الأماكنانفجارات قوية أو موقع السلاح الناري. انتشار الموجات فوق الصوتية لمسافات طويلة في البحر يجعل ذلك ممكنًا تنبؤات الكوارث الطبيعية- تسونامي. قناديل البحر والقشريات وما إلى ذلك قادرة على إدراك ما دون الصوت وقبل وقت طويل من بداية العاصفة تشعر باقترابها.

تحدث في الوسائط الغازية والسائلة والصلبة ، والتي عند وصولها إلى أجهزة السمع البشرية ، ينظر إليها على أنها صوت. يقع تردد هذه الموجات في النطاق من 20 إلى 20000 ذبذبة في الثانية. نعطي الصيغ لموجة صوتية وننظر في خصائصها بمزيد من التفصيل.

لماذا تظهر الموجة الصوتية؟

يتساءل الكثير من الناس ما هي الموجة الصوتية. تكمن طبيعة الصوت في حدوث اضطرابات في وسط مرن. على سبيل المثال ، عندما يحدث اضطراب في الضغط على شكل ضغط في حجم معين من الهواء ، فإن هذه المنطقة تميل إلى الانتشار في الفضاء. تؤدي هذه العملية إلى ضغط الهواء في المناطق المجاورة للمصدر ، والتي تميل أيضًا إلى التوسع. تغطي هذه العملية المزيد والمزيد من المساحة حتى تصل إلى بعض أجهزة الاستقبال ، على سبيل المثال ، الأذن البشرية.

الخصائص العامة للموجات الصوتية

ضع في اعتبارك الأسئلة حول ماهية الموجة الصوتية وكيف يتم إدراكها من قبل الأذن البشرية. تكون الموجة الصوتية طولية ، فعند دخولها إلى قشرة الأذن ، تتسبب في اهتزاز طبلة الأذن بتردد واتساع معينين. يمكنك أيضًا تمثيل هذه التقلبات على أنها تغيرات دورية في الضغط في الحجم الصغير للهواء المجاور للغشاء. أولاً ، يزيد بالنسبة إلى الضغط الجوي الطبيعي ، ثم يتناقص ، وفقًا للقوانين الرياضية للحركة التوافقية. اتساع التغييرات في ضغط الهواء ، أي الفرق بين الضغط الأقصى أو الأدنى الناتج عن الموجة الصوتية ، مع الضغط الجوي يتناسب مع سعة الموجة الصوتية نفسها.

أظهرت العديد من التجارب الفيزيائية أن أقصى ضغط يمكن للأذن البشرية إدراكه دون الإضرار بها هو 2800 نيوتن / سم 2. للمقارنة ، لنفترض أن الضغط الجوي بالقرب من سطح الأرض يبلغ 10 مليون نيوتن / سم 2. بالنظر إلى تناسب الضغط وسعة التذبذبات ، يمكننا القول أن القيمة الأخيرة غير مهمة حتى بالنسبة لأقوى الموجات. إذا تحدثنا عن طول الموجة الصوتية ، فعند تردد 1000 اهتزاز في الثانية سيكون جزءًا من ألف من السنتيمتر.

أضعف الأصوات تخلق تقلبات ضغط بترتيب 0.001 μN / cm 2 ، والسعة المقابلة لتذبذبات الموجة لتردد 1000 هرتز هي 10-9 سم ، في حين أن متوسط ​​قطر جزيئات الهواء هو 10-8 سم ، أي ، الأذن البشرية هي عضو حساس للغاية.

مفهوم شدة الموجات الصوتية

من وجهة نظر هندسية ، فإن الموجة الصوتية هي اهتزاز من شكل معين ، ولكن من وجهة نظر مادية ، فإن الخاصية الرئيسية للموجات الصوتية هي قدرتها على نقل الطاقة. إن أهم مثال على انتقال طاقة الأمواج هو الشمس ، حيث توفر موجاتها الكهرومغناطيسية المشعة الطاقة لكوكبنا بأكمله.

تُعرَّف شدة الموجة الصوتية في الفيزياء بأنها مقدار الطاقة التي تحملها الموجة عبر سطح الوحدة ، والتي تكون متعامدة مع انتشار الموجة ، ولكل وحدة زمنية. باختصار ، شدة الموجة هي قوتها المنقولة عبر منطقة وحدة.

تُقاس قوة الموجات الصوتية عادةً بالديسيبل ، والتي تستند إلى مقياس لوغاريتمي ، وهو مناسب للتحليل العملي للنتائج.

شدة الأصوات المختلفة

يعطي مقياس الديسيبل التالي فكرة عن معنى المختلف والأحاسيس التي يسببها:

• تبدأ عتبة الأحاسيس غير السارة وغير المريحة عند 120 ديسيبل (ديسيبل) ؛
• تنتج مطرقة التثبيت ضوضاء 95 ديسيبل ؛
• قطار فائق السرعة - 90 ديسيبل ؛
• شارع به حركة مرور كثيفة - 70 ديسيبل ؛
• حجم المحادثة العادية بين الناس - 65 ديسيبل ؛
• سيارة حديثة تتحرك بسرعات معتدلة تنتج ضوضاء 50 ديسيبل ؛
• متوسط ​​حجم الراديو - 40 ديسيبل ؛
• محادثة هادئة - 20 ديسيبل ؛
• ضوضاء أوراق الشجر - 10 ديسيبل ؛
• العتبة الدنيا لحساسية الصوت البشرية قريبة من 0 ديسيبل.

تعتمد حساسية الأذن البشرية على تردد الصوت وهي القيمة القصوى للموجات الصوتية بتردد 2000-3000 هرتز. بالنسبة للصوت في نطاق التردد هذا ، فإن الحد الأدنى لحساسية الإنسان هو 10 -5 ديسيبل. تؤدي الترددات الأعلى والأقل من الفاصل الزمني المحدد إلى زيادة عتبة الحساسية المنخفضة بحيث يسمع الشخص ترددات قريبة من 20 هرتز و 20000 هرتز فقط عند شدتها عدة عشرات من ديسيبل.

بالنسبة لعتبة الشدة العليا ، وبعدها يبدأ الصوت في إحداث إزعاج للشخص وحتى الألم ، يجب القول إنه لا يعتمد عمليًا على التردد ويقع في نطاق 110-130 ديسيبل.

الخصائص الهندسية للموجة الصوتية

الموجة الصوتية الحقيقية هي حزمة متذبذبة معقدة من الموجات الطولية ، والتي يمكن أن تتحلل إلى اهتزازات توافقية بسيطة. يتم وصف كل تذبذب من وجهة نظر هندسية بالخصائص التالية:

1. السعة - أقصى انحراف لكل قسم من أجزاء الموجة عن التوازن. تم تعيين هذه القيمة A.
2. فترة. هذا هو الوقت الذي تستغرقه موجة بسيطة لإكمال تذبذبها الكامل. بعد هذا الوقت ، تبدأ كل نقطة في الموجة في تكرار عمليتها التذبذبية. عادةً ما يُشار إلى الفترة بالحرف T ويتم قياسها بالثواني في نظام SI.
3. تكرار. هذه كمية مادية توضح عدد التذبذبات التي تحدثها موجة معينة في الثانية. وهذا يعني ، في معناها ، أنها قيمة معكوسة للدورة. تم تعيينه و. بالنسبة لتردد الموجة الصوتية ، فإن صيغة تحديدها من حيث الفترة هي كما يلي: f = 1 / T.
4. الطول الموجي هو المسافة التي يقطعها في فترة اهتزاز واحدة. هندسيًا ، الطول الموجي هو المسافة بين أقرب حد أقصى أو اثنين أقرب حد أدنى على منحنى جيبي. طول تذبذب الموجة الصوتية هو المسافة بين أقرب مناطق ضغط الهواء أو أقرب أماكن انتشارها في الفضاء الذي تتحرك فيه الموجة. يُشار إليه عادةً بالحرف اليوناني λ.
5. سرعة انتشار الموجة الصوتية هي المسافة التي تنتشر فيها منطقة الانضغاط أو منطقة خلخلة الموجة لكل وحدة زمنية. يتم الإشارة إلى هذه القيمة بالحرف v. بالنسبة لسرعة الموجة الصوتية ، الصيغة هي: v = λ * f.

إن هندسة الموجة الصوتية النقية ، أي موجة من النقاء المستمر ، تخضع لقانون الجيب. في الحالة العامة ، صيغة الموجة الصوتية هي: y = A * sin (ωt) ، حيث y هي قيمة إحداثيات نقطة معينة من الموجة ، t هي الوقت ، ω = 2 * pi * f هي الدورة تردد التذبذب.

صوت غير دوري

يمكن اعتبار العديد من مصادر الصوت دورية ، على سبيل المثال ، الصوت من الآلات الموسيقية مثل الجيتار والبيانو والناي ، ولكن هناك أيضًا عدد كبير من الأصوات في الطبيعة غير دورية ، أي أن الاهتزازات الصوتية تغير ترددها وشكلها في الفضاء. من الناحية الفنية ، يسمى هذا النوع من الصوت الضوضاء. ومن الأمثلة الحية على الأصوات غير الدورية الضوضاء الحضرية ، وصوت البحر ، والأصوات الصادرة من آلات الإيقاع ، على سبيل المثال ، من الطبل ، وغيرها.

وسط انتشار الصوت

على عكس الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الذي لا تحتاج فوتوناته إلى أي وسيط مادي لانتشارها ، فإن طبيعة الصوت تتطلب وسيطًا معينًا لانتشاره ، أي وفقًا لقوانين الفيزياء ، لا يمكن للموجات الصوتية أن تنتشر في الفراغ.

يمكن أن ينتشر الصوت في الغازات والسوائل والمواد الصلبة. الخصائص الرئيسية لموجة الصوت المنتشرة في وسط هي كما يلي:

• تنتشر الموجة خطيًا ؛
• ينتشر بالتساوي في جميع الاتجاهات في وسط متجانس ، أي ينحرف الصوت عن المصدر ، ويشكل سطحًا كرويًا مثاليًا.
• بغض النظر عن سعة الصوت وتردده ، تنتشر موجاته بنفس السرعة في وسط معين.

سرعة الموجات الصوتية في الوسائط المختلفة

تعتمد سرعة انتشار الصوت على عاملين رئيسيين: الوسط الذي تنتقل فيه الموجة ودرجة الحرارة. بشكل عام ، تنطبق القاعدة التالية: كلما زادت كثافة الوسط ، وكلما ارتفعت درجة حرارته ، كان الصوت ينتقل فيه بشكل أسرع.

على سبيل المثال ، سرعة انتشار الموجة الصوتية في الهواء بالقرب من سطح الأرض عند درجة حرارة 20 ℃ والرطوبة بنسبة 50٪ هي 1235 كم / ساعة أو 343 م / ث. في الماء ، عند درجة حرارة معينة ، ينتقل الصوت أسرع 4.5 مرة ، أي حوالي 5735 كم / ساعة أو 1600 م / ث. أما بالنسبة لاعتماد سرعة الصوت على درجة حرارة الهواء فيزداد بمقدار 0.6 م / ث مع زيادة درجة الحرارة لكل درجة مئوية.

Timbre والنغمة

إذا سمح لسلسلة أو لوحة معدنية بالاهتزاز بحرية ، فإنها ستصدر أصواتًا بترددات مختلفة. من النادر جدًا العثور على جسم يصدر صوتًا بتردد معين ، وعادة ما يكون لصوت الجسم مجموعة من الترددات في فترة زمنية معينة.

يتم تحديد جرس الصوت من خلال عدد التوافقيات الموجودة فيه وشدة كل منها. Timbre هي قيمة ذاتية ، أي إدراك كائن يبدو من قبل شخص معين. يتميز Timbre عادةً بالصفات التالية: عالي ، متألق ، رنان ، لحني ، وما إلى ذلك.

النغمة هي إحساس صوتي يسمح بتصنيفها على أنها عالية أو منخفضة. هذه القيمة هي أيضًا ذاتية ولا يمكن قياسها بواسطة أي أداة. ترتبط النغمة بكمية موضوعية - تردد الموجة الصوتية ، لكن لا توجد علاقة واضحة بينهما. على سبيل المثال ، بالنسبة للصوت أحادي التردد ذي الشدة الثابتة ، ترتفع النغمة مع زيادة التردد. إذا ظل تردد الصوت ثابتًا وازدادت شدته ، تنخفض النغمة.

شكل مصادر الصوت

وفقًا لشكل الجسم الذي يؤدي الاهتزازات الميكانيكية وبالتالي تولد الموجات ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية:

1. نقطه المصدر. ينتج موجات صوتية كروية الشكل وتتلاشى بسرعة مع المسافة من المصدر (حوالي 6 ديسيبل إذا تضاعفت المسافة من المصدر).
2. مصدر الخط. يخلق موجات أسطوانية ، تقل شدتها بشكل أبطأ من مصدر نقطة (لكل مضاعفة المسافة من المصدر ، تنخفض شدتها بمقدار 3 ديسيبل).
3. مصدر مسطح أو ثنائي الأبعاد. يولد موجات فقط في اتجاه معين. مثال على هذا المصدر سيكون مكبسًا يتحرك في أسطوانة.

مصادر الصوت الإلكترونية

لإنشاء موجة صوتية ، تستخدم المصادر الإلكترونية غشاءًا خاصًا (مكبر صوت) يقوم بالاهتزازات الميكانيكية بسبب ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي. تشمل هذه المصادر ما يلي:

• مشغلات الأقراص المختلفة (CD و DVD وغيرها) ؛
• مسجلات الكاسيت
• مستقبلات الراديو
• أجهزة التلفاز والبعض الآخر.