صدا چیست و چگونه تولید میشود؟

علم صدا یا صوت شناسی (Acoustics) یک شاخه ای از علم فیزیک بوده، که واژه آکواستیک از ریشه کلمه یونانی Akouotoc (قابل شنیدن) گرفته شده است. صوت نوعی از انرژی میخانیکی می باشد. انرژی میخانیکی به دو نوع اند، انرژی پتانشیل و انرژی جنبشی (حرکی). چون صدا از حرکت و اهتزازات ذرات ماده بوجود می آید، پس صوت نوعی از انرژی جنبشی یا حرکی می باشد.  انرژی صوتی از اثر برخورد ذرات ماده با هم دیگر ایجاد میشود که در نتیجه ای برخورد ذرات، ارتعاشات بوجود می آیند و این ارتعاشات از یک ماده به ماده دیگر به صورت امواج منتقل میشوند به این ترتیب صدا منتشر می گردد.

در این ویدیو برای تفهیم بهتر موضوع تولید صوت، فعالیتهای عملی نشان داده شده اند که میتوانید با دانش آموزان تان در صنف اجرا نمایید.

خصوصیات فیزیکی صوت (Physical characteristics of sound)

خصوصیات فیزیکی صوت شامل فریکونسی، طول موج،‌ دامنه اهتزاز و سرعت صوت میباشند. از لحاظ فزیکی صدا نوع از ارتعاشات میخانیکی در یک محیط الاستیک (محیط الاستیک؛ محیط که  قابلیت ارتجاعی را داشته باشد. مانند جسمی که کش و جمع شود، تغییر شکل دهد و دوباره به شکل اصلی خود برگردد و یا آنچه که توانایی در برابر کشش، فشار، یا تغییر شکل از اثر اعمال قوه را داشته و سپس بتواند حالت اولیه خود را بگیرد.) گاز، مایع و جامد است و هنگامیکه که ذرات در اطراف موقعیت تعادل خود نوسان کنند ایجاد میشود. 

فریکونسی (Frequency): تعداد ارتعاشات یا لرزش در فی واحد ثانیه را فریکونسی گویند. هر چی فرکانس صدا بیشتر باشد،‌ صدا زیرتر (نازک تر)‌، یعنی امواج صوت با فاصله کمی از هم حرکت میکنند و وقتی به پرده گوش برخورد میکند صدای نازک به گوش ما میرسد. هر چه فرکانس صدا کمتر باشد صدا بم تر، امواج صدا به فاصله بیشتر با هم حرکت میکنند و صدایی که به گوش میرسد صدای بم میباشد.

فریکونسی با واحد هرتز (Hz) اندازه گیری میشود. نام گذاری این واحد توسط فزیکدان آلمانی، هاینریش رودلف هرتز، انجام شد و با نماد (Hz) نمایش داده میشود.

در اطراف ما صداهای زیادی ایجاد میشوند، گوش های انسان قادر به شنوایی صداهای اند که فریکونسی های 20Hz الی 20000Hz را دارا باشند. صدا های که بیشتر از 20000Hz فریکونسی دارند، ساحه صداهای قابل شنیدن بلند گفته میشوند در حالیکه صداهای با فریکونسی کمتر از 20Hz بنام ساحه قابل شنیدن پایین نامیده میشوند. حیوانات و دیگر زنده جان ها نیز توانایی احساس صداها را دارند. قابلیت شنیدن صدا در انسان و دیگر زنده جان ها فرق میکند مثلا: یک تعداد حیوانات امواج زلزله را بیشتر از انسان احساس مینمایند به همین سبب قبل از رسیدن موج های زلزله، صدا می کشند و از جاهای خود فرار میکنند.

در تصویر ذیل مفاهیم زیر و بم برای صدا، نشان داده شده اند.

امواج صوتی همانند دیگر امواج انعکاس و انکسار می نمایند مثلا اگر بین دو کوه به آواز بلند صدا بزنیم، صدای خود را دوباره خواهیم شنید.

در ویدیویی ذیل، مفاهیم زیر و بم صدا به صورت عملی توضیح داده شده اند که می توانید این فعالیت را برای دانش آموزان تان اجرا کنید.

طول موج(Wavelength): فاصله بین دو قله متوالی در یک موج را طول موج گویند، که به حرف لمدا (λ) نشان داده میشود. اما فاصله بین دو قله یک موج صوتی را طول موج صوت گویند. دو موجی که دارای سرعت یکسان باشند، موجی که دارای فریکونسی بالا است طول موج کوتاه تر را دارا بوده و موجی که دارای فریکونسی پایین است دارای طول موج بلندتر میباشد.

دامنه اهتزاز (Amplitude):‌‌ فاصله یک قله یا دره از خط مرکزی (خط سکون ذره) را دامنه اهتزاز موج گویند.

در تصویر ذیل دامنه اهتراز موج صوتی، نشان داده شده است.

سرعت صوت(Sound speed): فاصله ای را که یک موج صوتی در مدت یک ثانیه در یک سیال طی میکند، سرعت صوت گویند. انتشار صوت در محیط های مختلف متفاوت اند. صدا در محیطی نشر میشود که ماده وجود داشته باشد (صوت در خلا منتشر شده نمیتواند).

امواج صوت در محیط های مانند هوا، آب به صورت امواج طولی و اما در جامد به صورت موج عرضی منتشر می گردد که یک بخش از امواج میخانیکی میباشد. در امواج طولی استقامت انتشار موج ها و اهتزازات ذراتی که انرژی صدا را انتقال میدهد به هم موازی و یا منطبق هستند، اما در امواج عرضی راستای انتشار و نوسان موج بر هم عمود میباشند.

مثلا زمانیکه قطره آب داخل یک تشت پر از آب می افتد امواج آب ایجاد شده و به اطراف پراگنده میشوند. امواج صوت هم همینگونه تشکیل می گردند و حرکت میکنند. برای ایجاد صوت لازم است که جسمی به جسم دیگر برخورد کند، طوریکه جسم دیگر رابه لرزه یا ارتعاش در آورد.

تصاویر ذیل نشان دهنده امواج طولی و عرضی می باشند. سرعت صوت از یک ماده به ماده دیگر مختلف میباشد. صدا در مایعات و جامدات سریع تر از هوا حرکت میکند. سرعت صوت در فلزات و جامدات یعنی محیط های که فشرده گی ذرات تشکیل دهنده زیاد اند، بیشتر میباشد.

با اجرای فعالیتهای عملی که در ویدیوی ذیل نشان داده شده است، شما میتوانید موضوع، سرعت انتقال صوت در هوا و جامدات، را به صورت واضح به شاگردان تان تشریح و توضیح دهید.