سخنرانی 3 آکوستیک. صدا

1. صدا، انواع صدا.

2. مشخصات فیزیکی صدا.

3. ویژگی های حس شنوایی. اندازه گیری صدا

4. عبور صدا از طریق رابط.

5. روش تحقیق صحیح.

6. عوامل تعیین کننده پیشگیری از صدا. حفاظت از نویز.

7. مفاهیم و فرمول های اساسی. جداول.

8. وظایف.

آکوستیک.به معنای گسترده - شاخه ای از فیزیک که امواج الاستیک را از پایین ترین فرکانس ها تا بالاترین مطالعه می کند. به معنای محدود - آموزش صدا.

صدا در معنای وسیع - ارتعاشات الاستیک و امواج منتشر شده در مواد گازی، مایع و جامد. در معنای محدود، پدیده ای است که به طور ذهنی توسط اندام های شنوایی انسان و حیوانات درک می شود.

به طور معمول، گوش انسان صدا را در محدوده فرکانس 16 هرتز تا 20 کیلوهرتز می شنود. با این حال، با افزایش سن، انتهای بالایی این محدوده کاهش می یابد:

صدایی با فرکانس زیر 16-20 هرتز نامیده می شود مادون صوت،بالای 20 کیلوهرتز - سونوگرافی،و امواج الاستیک با بالاترین فرکانس در محدوده 10 9 تا 10 12 هرتز - فراصوت

صداهای موجود در طبیعت به چند نوع تقسیم می شوند.

لحن -این صدایی است که یک فرآیند دوره ای است. مشخصه اصلی یک آهنگ فرکانس است. لحن سادهایجاد شده توسط جسمی که طبق قانون هارمونیک ارتعاش می کند (به عنوان مثال، یک چنگال تنظیم). لحن سختایجاد شده توسط ارتعاشات دوره ای که هارمونیک نیستند (به عنوان مثال، صدای یک آلات موسیقی، صدای ایجاد شده توسط دستگاه گفتار انسان).

سر و صداصدایی است که وابستگی زمانی پیچیده و غیر تکراری دارد و ترکیبی از زنگ های پیچیده به طور تصادفی در حال تغییر (خش خش برگ ها) است.

انفجار صوتی- این یک جلوه صوتی کوتاه مدت است (کف زدن، انفجار، انفجار، رعد و برق).

یک لحن پیچیده، به عنوان یک فرآیند دوره ای، می تواند به عنوان مجموع صداهای ساده (تجزیه شده به آهنگ های جزء) نمایش داده شود. چنین تجزیه ای نامیده می شود طیف

طیف آکوستیک یک تن مجموعه ای از تمام فرکانس های آن است که نشان دهنده شدت یا دامنه نسبی آنهاست.

کمترین فرکانس در طیف (ν) مربوط به تن بنیادی است و بقیه فرکانس ها اورتون یا هارمونیک نامیده می شوند. اورتون ها دارای فرکانس هایی هستند که مضربی از فرکانس اصلی هستند: 2ν، 3ν، 4ν، ...

معمولاً بزرگترین دامنه طیف مربوط به لحن بنیادی است. این اوست که توسط گوش به عنوان زیر و بمی صدا درک می شود (به زیر مراجعه کنید). فراتون "رنگ" صدا را ایجاد می کند. صداهایی با زیر و بمی یکسان، که توسط سازهای مختلف ایجاد می شود، دقیقاً به دلیل نسبت های متفاوت بین دامنه های اهنگ ها به روش های مختلف توسط گوش درک می شود. شکل 3.1 طیف های همان نت (ν = 100 هرتز) را نشان می دهد که بر روی پیانو بزرگ و کلارینت نواخته شده است.

برنج. 3.1.طیف نوت پیانو (الف) و کلارینت (ب)

طیف صوتی نویز است جامد.

محتوای مقاله

صدا و آکوستیک.صدا ارتعاش است، یعنی اختلال مکانیکی دوره ای در محیط های الاستیک - گاز، مایع و جامد. چنین اختلالی که نوعی تغییر فیزیکی در محیط است (مثلاً تغییر چگالی یا فشار، جابجایی ذرات) در آن به صورت موج صوتی منتشر می شود. رشته فیزیک که به مسائل پیدایش، انتشار، دریافت و پردازش امواج صوتی می پردازد، آکوستیک نامیده می شود. اگر فرکانس آن فراتر از حساسیت گوش انسان باشد یا در محیطی مانند جامد که نمی تواند تماس مستقیم با گوش داشته باشد پخش شود یا انرژی آن به سرعت در محیط پخش شود، صدا می تواند غیر قابل شنیدن باشد. بنابراین، فرآیند معمول ما برای درک صدا تنها یک طرف آکوستیک است.

امواج صوتی

یک لوله بلند پر از هوا را در نظر بگیرید. از سمت چپ، پیستونی که به خوبی در برابر دیوارها قرار می گیرد در آن قرار می گیرد (شکل 1). اگر پیستون به شدت به سمت راست حرکت کرده و متوقف شود، هوا در مجاورت آن به طور لحظه ای فشرده می شود (شکل 1، آ). سپس هوای فشرده منبسط می‌شود و هوای مجاور خود را در سمت راست فشار می‌دهد و ناحیه فشرده‌سازی که در ابتدا در نزدیکی پیستون ظاهر شده بود، در طول لوله با سرعت ثابت حرکت می‌کند (شکل 1، ب). این موج تراکمی، موج صوتی در گاز است.

موج صوتی در گاز با فشار اضافی، چگالی بیش از حد، جابجایی ذرات و سرعت مشخص می شود. برای امواج صوتی، این انحرافات از مقادیر تعادلی همیشه کوچک هستند. بنابراین، فشار اضافی مربوط به موج بسیار کمتر از فشار ساکن گاز است. در غیر این صورت، ما با پدیده دیگری روبرو هستیم - یک موج شوک. در موج صوتی متناظر با گفتار معمولی، فشار اضافی تنها حدود یک میلیونم فشار اتمسفر است.

مهم است که این ماده توسط موج صوتی منتقل نشود. موج تنها یک اختلال موقتی است که از هوا عبور می کند و پس از آن هوا به حالت تعادل باز می گردد.

البته حرکت موج فقط مختص صدا نیست: نور و سیگنال های رادیویی به صورت امواج منتشر می شوند و همه امواج روی سطح آب را می شناسند. همه انواع امواج از نظر ریاضی با معادله موج توصیف می شوند.

امواج هارمونیک

موج در لوله در شکل. 1 پالس صدا نامیده می شود. یک نوع موج بسیار مهم زمانی ایجاد می شود که پیستون مانند وزنه ای معلق از فنر به جلو و عقب ارتعاش کند. این گونه نوسانات هارمونیک ساده یا سینوسی نامیده می شود و موج برانگیخته شده در این حالت هارمونیک نامیده می شود.

با ارتعاشات هارمونیک ساده، حرکت به صورت دوره ای تکرار می شود. فاصله زمانی بین دو حالت حرکتی یکسان را دوره نوسان و تعداد دوره های کامل در ثانیه را فرکانس نوسان می نامند. ما دوره را نشان می دهیم تی، و فرکانس - از طریق f; سپس می توان آن را نوشت f= 1/تی.برای مثال، اگر فرکانس 50 دوره در ثانیه (50 هرتز) باشد، این دوره 1/50 ثانیه است.

نوسانات هارمونیک ساده ریاضی با یک تابع ساده توصیف می شوند. جابجایی پیستون با ارتعاشات هارمونیک ساده برای هر لحظه از زمان تیرا می توان به صورت نوشتاری

اینجا د -جابجایی پیستون از وضعیت تعادل و دی- عامل ثابت که برابر با حداکثر مقدار کمیت است دو دامنه جابجایی نامیده می شود.

فرض کنید پیستون بر اساس فرمول ارتعاش هارمونیک می لرزد. سپس، هنگامی که به سمت راست حرکت می کند، فشار ایجاد می شود، مانند قبل، و هنگامی که به سمت چپ حرکت می کند، فشار و چگالی نسبت به مقادیر تعادل آنها کاهش می یابد. فشرده سازی وجود ندارد، اما گاز کمیاب می شود. در این حالت، همان طور که در شکل نشان داده شده است، سمت راست گسترش می یابد. 2، موجی از فشرده سازی متناوب و کمیاب شدن. در هر لحظه از زمان، منحنی توزیع فشار در طول لوله به شکل یک سینوسی خواهد بود و این سینوسی با سرعت صوت به سمت راست حرکت می کند. v... فاصله در طول لوله بین فازهای موج یکسان (مثلاً بین قله های مجاور) طول موج نامیده می شود. مرسوم است که آن را با یک حرف یونانی نشان می دهند. ل(لامبدا). طول موج لمسافت طی شده توسط موج در زمان است تی... بنابراین ل = تلویزیون، یا v = l f.

امواج طولی و عرضی.

اگر ذرات موازی با جهت انتشار موج ارتعاش کنند، موج طولی نامیده می شود. اگر آنها عمود بر جهت انتشار ارتعاش کنند، موج را عرضی می نامند. امواج صوتی در گازها و مایعات طولی هستند. در جامدات، امواج از هر دو نوع وجود دارد. موج برشی در یک جامد به دلیل سختی آن (مقاومت در برابر تغییر شکل) امکان پذیر است.

مهمترین تفاوت بین این دو نوع موج این است که موج برشی دارای خاصیت است قطبی شدن(ارتعاشات در یک صفحه خاص رخ می دهد)، اما طولی اینطور نیست. در برخی از پدیده ها، مانند بازتاب و انتقال صوت از طریق بلورها، مانند امواج نور، تا حد زیادی به جهت جابجایی ذرات بستگی دارد.

سرعت امواج صوتی.

سرعت صوت مشخصه محیطی است که موج در آن منتشر می شود. این توسط دو عامل تعیین می شود: کشش و چگالی مواد. خواص کشسانی جامدات به نوع تغییر شکل بستگی دارد. بنابراین، خواص کشسانی یک میله فلزی در هنگام پیچش، فشرده سازی و خمش یکسان نیست. و ارتعاشات موج مربوطه با سرعت های مختلف منتشر می شود.

الاستیک محیطی است که در آن تغییر شکل، اعم از پیچش، فشار یا خمش، متناسب با نیروی ایجاد کننده تغییر شکل است. چنین موادی مشمول قانون هوک هستند:

ولتاژ = سیґ تغییر شکل نسبی،

جایی که با- مدول الاستیسیته، بسته به ماده و نوع تغییر شکل.

سرعت صدا vبرای یک نوع معین از تغییر شکل الاستیک با عبارت داده می شود

جایی که r- چگالی ماده (جرم در واحد حجم).

سرعت صدا در یک میله جامد.

میله بلند را می توان با نیروی وارد شده به انتهای آن کشیده یا فشرده کرد. بگذارید طول میله باشد L،نیروی کششی اعمال شده - اف، و افزایش طول D است L... مقدار D L/Lتغییر شکل نسبی و نیروی بر واحد سطح مقطع میله را تنش می نامیم. بنابراین ولتاژ است اف/آ، جایی که آ -سطح مقطع میله. وقتی برای چنین میله ای اعمال می شود، قانون هوک شکل می گیرد

جایی که Y- مدول یانگ، یعنی. مدول الاستیسیته میله برای کشش یا فشرده سازی، که مشخصه مواد میله است. مدول یانگ برای مواد با قابلیت کشش آسان مانند لاستیک کوچک و برای مواد سخت مانند فولاد بزرگ است.

اگر اکنون با دمیدن چکش در انتهای میله، موج فشاری در آن برانگیخته شود، با سرعتی منتشر می شود که r، مانند قبل، چگالی ماده ای است که میله از آن ساخته شده است. مقادیر سرعت موج برای برخی از مواد معمولی در جدول آورده شده است. یکی

جدول 1. سرعت صدا برای انواع مختلف امواج در مواد جامد
مواد	امواج طولی در نمونه های جامد توسعه یافته (m/s)	امواج برشی و پیچشی (m/s)	امواج فشرده سازی در میله ها (m / s)
آلومینیوم
برنج
رهبری
اهن
نقره اي
فولاد ضد زنگ
چخماقی
شیشه تاج
پلکسی گلاس
پلی اتیلن
پلی استایرن

موج در نظر گرفته شده در میله یک موج فشاری است. اما نمی توان آن را کاملاً طولی در نظر گرفت، زیرا فشرده سازی با حرکت سطح جانبی میله همراه است (شکل 3، آ).

دو نوع دیگر از امواج در میله امکان پذیر است - موج خمشی (شکل 3، ب) و یک موج پیچشی (شکل 3، v). تغییر شکل های خمشی مربوط به موجی است که نه صرفاً طولی است و نه صرفاً عرضی. تغییر شکل های پیچشی، به عنوان مثال. چرخش حول محور میله، یک موج برشی خالص ایجاد می کند.

سرعت موج خمشی در میله به طول موج بستگی دارد. به این موج «پراکنده» می گویند.

امواج پیچشی در میله کاملاً عرضی و غیر پراکنده هستند. سرعت آنها با فرمول داده شده است

جایی که متر- مدول برشی، که ویژگی های الاستیک مواد را در رابطه با برش مشخص می کند. برخی از سرعت های معمولی موج برشی در جدول آورده شده است. یکی

سرعت در محیط جامد توسعه یافته

در محیط جامد با حجم زیاد، جایی که می توان از تأثیر مرزها چشم پوشی کرد، امواج الاستیک از دو نوع امکان پذیر است: طولی و عرضی.

تغییر شکل طولی تغییر شکل صفحه است، یعنی. فشرده سازی یک بعدی (یا کمیاب) در جهت انتشار موج. تغییر شکل موج برشی، جابجایی برشی عمود بر جهت انتشار موج است.

سرعت امواج طولی در مواد جامد با بیان داده می شود

جایی که C L -مدول الاستیسیته برای تغییر شکل صفحه ساده با مدول حجیم مرتبط است V(تعریف آن در زیر آمده است) و مدول برش m ماده بر حسب نسبت سی ال = ب + 4/3مترجدول 1 مقادیر سرعت امواج طولی را برای مواد جامد مختلف نشان می دهد.

سرعت امواج برشی در محیط جامد گسترده با سرعت امواج پیچشی در یک میله ساخته شده از همان ماده برابر است. بنابراین با بیان داده می شود. مقادیر آن برای مواد جامد رایج در جدول آورده شده است. یکی

سرعت گاز.

در گازها فقط یک نوع تغییر شکل ممکن است: فشرده سازی - کمیاب شدن. مدول الاستیسیته مربوطه Vمدول تغییر شکل حجمی نامیده می شود. با نسبت تعیین می شود

-D پ = ب(D V/V).

اینجا D پ- تغییر فشار، D V/V- تغییر نسبی حجم علامت منفی نشان می دهد که با افزایش فشار، حجم کاهش می یابد.

بزرگی Vبستگی به این دارد که آیا دمای گاز در طول فشرده سازی تغییر می کند یا خیر. در مورد موج صوتی می توان نشان داد که فشار خیلی سریع تغییر می کند و گرمای آزاد شده در حین فشرده سازی زمان خروج از سیستم را ندارد. بنابراین، تغییر فشار در موج صوتی بدون تبادل حرارت با ذرات اطراف رخ می دهد. این تغییر آدیاباتیک نامیده می شود. مشخص شد که سرعت صوت در گاز فقط به دما بستگی دارد. در یک دمای معین، سرعت صوت تقریباً برای همه گازها یکسان است. در دمای 21.1 درجه سانتی گراد سرعت صوت در هوای خشک 344.4 متر بر ثانیه است و با افزایش دما افزایش می یابد.

سرعت در مایعات

امواج صوتی در مایعات، مانند گازها، امواج فشرده سازی نادر هستند. سرعت با همان فرمول داده می شود. با این حال، یک مایع بسیار کمتر از گاز تراکم پذیر است و بنابراین مقدار آن V، بیشتر و تراکم r... سرعت صوت در مایعات به سرعت در جامدات نزدیکتر از گازها است. بسیار کمتر از گازها است، بستگی به دما دارد. به عنوان مثال، سرعت در آب شیرین 1460 متر بر ثانیه در 15.6 درجه سانتیگراد است. در آب دریا با شوری معمولی، 1504 متر بر ثانیه در همان دما است. سرعت صوت با افزایش دمای آب و غلظت نمک افزایش می یابد.

امواج ایستاده

هنگامی که یک موج هارمونیک در یک فضای محدود تحریک می شود به طوری که از مرزها جهش می کند، به اصطلاح امواج ایستاده تولید می شود. موج ایستاده حاصل برهم نهی دو موج است که یکی در جهت جلو و دیگری در جهت مخالف حرکت می کند. تصویری از نوسانات بدون حرکت در فضا با تناوب پادگره ها و گره ها وجود دارد. در پادگره ها، انحراف ذرات ارتعاشی از موقعیت های تعادلی آنها حداکثر و در گره ها برابر با صفر است.

امواج ایستاده در یک رشته.

در یک رشته کشیده، امواج عرضی بوجود می آیند و رشته نسبت به موقعیت اولیه و مستطیل خود جابجا می شود. هنگام عکاسی از امواج در یک رشته، گره‌ها و پادگره‌های تن و تون اصلی به وضوح قابل مشاهده هستند.

الگوی موج ایستاده تا حد زیادی تجزیه و تحلیل حرکت ارتعاشی یک رشته با طول معین را تسهیل می کند. بگذارید یک رشته طولی وجود داشته باشد Lدر انتها ثابت شده است. هر نوع ارتعاش چنین رشته ای را می توان به صورت ترکیبی از امواج ایستاده نشان داد. از آنجایی که انتهای رشته ثابت است، فقط امواج ایستاده ممکن است که دارای گره هایی در نقاط مرزی باشند. کمترین فرکانس ارتعاش یک رشته مربوط به حداکثر طول موج ممکن است. از آنجایی که فاصله بین گره ها است ل/ 2، فرکانس زمانی حداقل است که طول رشته برابر با نصف طول موج باشد، یعنی. در ل= 2L... این به اصطلاح حالت اساسی ارتعاش ریسمان است. فرکانس متناظر، که فرکانس بنیادی یا تن بنیادی نامیده می شود، با عبارت داده می شود f = v/2L، جایی که v- سرعت انتشار موج در طول رشته.

یک سری کامل از نوسانات فرکانس بالاتر وجود دارد که مربوط به امواج ایستاده با گره های بیشتر است. فرکانس بالاتر بعدی، که هارمونیک دوم یا تون اول نامیده می شود، توسط

f = v/L.

دنباله هارمونیک ها با فرمول بیان می شود f = nv/2L، جایی که n = 1, 2, 3, و غیره. این به اصطلاح است. فرکانس طبیعی ارتعاشات رشته آنها به نسبت اعداد سری طبیعی افزایش می یابند: هارمونیک های بالاتر در 2، 3، 4 ... و غیره. برابر فرکانس ارتعاش اساسی به چنین طیفی از صداها مقیاس طبیعی یا هارمونیک می گویند.

همه اینها در آکوستیک موسیقی از اهمیت بالایی برخوردار است که در ادامه با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت. در حال حاضر، توجه داشته باشید که تمام فرکانس های طبیعی در صدای تولید شده توسط سیم وجود دارد. سهم نسبی هر یک از آنها بستگی به نقطه ای دارد که در آن ارتعاشات رشته برانگیخته می شود. به عنوان مثال، اگر یک رشته را در وسط بچینید، فرکانس اصلی بیشترین هیجان را خواهد داشت، زیرا این نقطه با آنتی گره مطابقت دارد. هارمونیک دوم وجود ندارد، زیرا گره آن در مرکز قرار دارد. همین امر را می توان در مورد سایر هارمونیک ها نیز گفت ( زیر را ببینیدآکوستیک موسیقی).

سرعت امواج در رشته است

جایی که تی -نیروی کشش رشته، و r L -جرم یک واحد طول رشته بنابراین، طیف فرکانس های طبیعی رشته با عبارت داده می شود

بنابراین، افزایش کشش رشته منجر به افزایش فرکانس ارتعاش می شود. فرکانس ارتعاش را در یک زمان معین کاهش دهید تیمی توانید رشته سنگین تری بگیرید (بزرگ r L) یا با افزایش طول آن.

امواج ایستاده در لوله های اندام.

تئوری بیان شده در رابطه با ریسمان را می توان برای ارتعاشات هوا در یک لوله از نوع اندام اعمال کرد. یک لوله ارگان را می توان به سادگی به عنوان یک لوله مستقیم در نظر گرفت که در آن امواج ایستاده برانگیخته می شوند. لوله می تواند هر دو انتهای بسته و باز داشته باشد. یک پادگره موج ایستاده در انتهای باز و یک گره در انتهای بسته ظاهر می شود. در نتیجه، یک لوله با دو سر باز دارای فرکانس اساسی است که در آن نیمی از طول موج در طول لوله قرار می گیرد. لوله ای که یک سر آن باز و سر دیگر آن بسته است دارای فرکانس اساسی است که در آن یک چهارم طول موج در طول لوله قرار می گیرد. بنابراین، فرکانس اساسی برای یک لوله باز در هر دو انتها است f =v/2Lو برای یک لوله باز در یک انتها، f = v/4L(جایی که L- طول لوله). در حالت اول، نتیجه مانند رشته است: اهنگ ها برابر با دو، سه و غیره است. مقدار فرکانس اساسی با این حال، برای یک لوله باز در یک انتها، نورها بیشتر از فرکانس اصلی در 3، 5، 7 و غیره خواهد بود. یک بار.

در شکل شکل های 4 و 5 به صورت شماتیک تصویر امواج ایستاده فرکانس اساسی و اولین تون را برای لوله های دو نوع در نظر گرفته نشان می دهد. انحراف ها در اینجا به دلایل راحتی به صورت عرضی نشان داده شده اند، اما در واقع طولی هستند.

ارتعاشات تشدید کننده.

امواج ایستاده ارتباط نزدیکی با پدیده رزونانس دارند. فرکانس های طبیعی ذکر شده در بالا نیز فرکانس های تشدید یک رشته یا لوله اندام هستند. فرض کنید یک بلندگو در نزدیکی انتهای باز یک لوله ارگان قرار داده شده است که سیگنالی با یک فرکانس خاص منتشر می کند که می تواند به دلخواه تغییر کند. سپس، اگر فرکانس سیگنال بلندگو با فرکانس اصلی لوله یا با یکی از تون های آن مطابقت داشته باشد، صدای لوله بسیار بلند خواهد بود. این به این دلیل است که بلندگو ارتعاشات ستون هوا را با دامنه قابل توجهی تحریک می کند. می گویند لوله در این شرایط طنین انداز می شود.

تحلیل فوریه و طیف فرکانس صدا.

در عمل، امواج صوتی با یک فرکانس نادر هستند. اما امواج صوتی پیچیده را می توان به هارمونیک تجزیه کرد. این روش به نام ریاضیدان فرانسوی J. Fourier (1768-1830) که اولین بار آن را (در نظریه گرما) به کار برد، آنالیز فوریه نامیده می شود.

نمودار وابستگی انرژی نسبی ارتعاشات صوت به فرکانس را طیف فرکانسی صدا می گویند. دو نوع اصلی از این طیف وجود دارد: گسسته و پیوسته. طیف گسسته از خطوط جداگانه برای فرکانس ها تشکیل شده است که با شکاف های خالی از هم جدا شده اند. تمام فرکانس ها در طیف پیوسته در پهنای باند آن وجود دارند.

ارتعاشات صوتی دوره ای

ارتعاشات صدا در صورتی دوره ای هستند که فرآیند ارتعاش، مهم نیست که چقدر پیچیده باشد، پس از یک بازه زمانی معین تکرار شود. طیف آن همیشه گسسته است و از هارمونیک های فرکانس مشخصی تشکیل شده است. از این رو اصطلاح "تحلیل هارمونیک" به وجود آمده است. یک مثال ارتعاشات مستطیلی است (شکل 6، آ) با تغییر دامنه از + Aقبل از - آو دوره T = 1/f... مثال ساده دیگر ارتعاش دندانه اره مثلثی است که در شکل. 6، ب... نمونه ای از نوسانات دوره ای با شکل پیچیده تر با اجزای هارمونیک مربوطه در شکل 1 نشان داده شده است. 7.

صداهای موسیقی نوسانات تناوبی هستند و بنابراین حاوی هارمونیک ها هستند. قبلاً دیده‌ایم که در رشته، همراه با نوسانات فرکانس اصلی، هارمونیک‌های دیگر نیز به یک درجه برانگیخته می‌شوند. سهم نسبی هر تون به نحوه برانگیختگی رشته بستگی دارد. مجموعه ای از رنگ ها تا حد زیادی توسط تن صداصدای موسیقی این مسائل در زیر در بخش آکوستیک موسیقی با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار گرفته است.

طیف پالس صدا

یک نوع رایج صدا، صدای کوتاه مدت است: کف زدن دست، ضربه زدن به در، صدای افتادن جسم به زمین، بانگ فاخته. چنین صداهایی نه دوره ای هستند و نه موسیقایی. اما آنها همچنین می توانند به یک طیف فرکانسی تجزیه شوند. در این مورد، طیف پیوسته خواهد بود: برای توصیف صدا، تمام فرکانس ها در یک باند خاص مورد نیاز است که می تواند بسیار گسترده باشد. دانستن چنین طیف فرکانسی برای بازتولید چنین صداهایی بدون اعوجاج ضروری است، زیرا سیستم الکترونیکی مربوطه باید به همان اندازه از تمام این فرکانس ها عبور کند.

ویژگی های اصلی یک پالس صدا را می توان با در نظر گرفتن یک پالس به شکل ساده دریابید. فرض کنید صدا یک ارتعاش با مدت زمان D است تیکه در آن تغییر فشار مطابق شکل نشان داده شده است. هشت، آ... یک طیف فرکانس تقریبی برای این مورد در شکل نشان داده شده است. هشت، ب... فرکانس مرکزی مربوط به نوساناتی است که اگر همان سیگنال بی نهایت بود، خواهیم داشت.

طول طیف فرکانس را پهنای باند D می نامند f(شکل 8، ب). پهنای باند محدوده تقریبی فرکانس های مورد نیاز برای بازتولید پالس اصلی بدون اعوجاج بی مورد است. یک رابطه اساسی بسیار ساده بین D وجود دارد fو D تی، برای مثال

دی fدی تی"یک.

این رابطه برای همه تکانه های صوتی معتبر است. معنی آن این است که هرچه پالس کوتاه تر باشد، فرکانس های بیشتری در آن وجود دارد. فرض کنید از یک سونار برای تعیین محل یک زیردریایی استفاده می شود که اولتراسوند را به شکل یک پالس با مدت زمان 0.0005 ثانیه با فرکانس سیگنال 30 کیلوهرتز منتشر می کند. پهنای باند 1 / 0.0005 = 2 کیلوهرتز است و فرکانس های موجود در طیف پالس رادار در محدوده 29 تا 31 کیلوهرتز هستند.

سر و صدا.

نویز به عنوان هر صدای تولید شده توسط منابع متعدد که با یکدیگر هماهنگ نیستند درک می شود. به عنوان مثال می توان به صدای تکان دادن شاخ و برگ درختان در اثر باد اشاره کرد. صدای موتور جت ناشی از تلاطم جریان اگزوز پر سرعت است. نویز به عنوان صدای آزاردهنده در هنر مورد توجه قرار گرفته است. آلودگی صوتی محیطی.

شدت صدا.

میزان صدا ممکن است متفاوت باشد. به راحتی می توان فهمید که این به دلیل انرژی حمل شده توسط موج صوتی است. برای مقایسه کمی بلندی صدا لازم است مفهوم شدت صدا معرفی شود. شدت موج صوتی به عنوان میانگین شار انرژی از طریق واحد سطح جبهه موج در واحد زمان تعریف می شود. به عبارت دیگر، اگر یک واحد سطح (مثلاً 1 سانتی متر مربع) را که کاملاً صدا را جذب می کند، در نظر بگیریم و آن را عمود بر جهت انتشار موج قرار دهیم، شدت صوت برابر با انرژی صوتی جذب شده در یک ثانیه است. . شدت معمولاً در W / cm 2 (یا W / m 2) بیان می شود.

اجازه دهید مقدار این مقدار را برای برخی صداهای آشنا بیان کنیم. دامنه فشار اضافی که در طول مکالمه معمولی رخ می دهد حدود یک میلیونم فشار اتمسفر است که مربوط به شدت آکوستیک صدا در حد 9-10 وات بر سانتی متر مربع است. مجموع قدرت صدای منتشر شده در طول یک مکالمه معمولی تنها 0.00001 وات است. توانایی گوش انسان در درک چنین انرژی های کوچکی گواه حساسیت شگفت انگیز آن است.

دامنه شدت صدای درک شده توسط گوش ما بسیار گسترده است. بلندترین صدایی که گوش می تواند تحمل کند حدود 10-14 برابر حداقل صدایی است که می تواند بشنود. قدرت کامل منابع صوتی به همان اندازه محدوده وسیعی را پوشش می دهد. بنابراین، توان ساطع شده در طول یک زمزمه بسیار آرام می تواند در حد 9-10 وات باشد، در حالی که توان ساطع شده توسط موتور جت به 105 وات می رسد. باز هم شدت ها با ضریب 10-14 متفاوت است.

دسی بل.

از آنجایی که صداها از نظر شدت بسیار متفاوت هستند، راحت تر است که آن را به عنوان یک کمیت لگاریتمی در نظر بگیرید و آن را در دسی بل اندازه گیری کنید. مقدار لگاریتمی شدت، لگاریتم نسبت مقدار مقدار مورد نظر به مقدار آن است که به عنوان مقدار اولیه در نظر گرفته شده است. سطح شدت جیدر رابطه با شدت انتخاب شده مشروط جی 0 برابر است

سطح شدت صدا = 10 لیتر ( جی/جی 0) دسی بل

بنابراین، شدت صدایی که 20 دسی بل از دیگری فراتر رود، 100 برابر شدت بیشتری دارد.

در عمل اندازه گیری های صوتی، مرسوم است که شدت صدا را بر حسب دامنه متناظر فشار اضافی بیان می کنند. R e... وقتی فشار در دسی بل نسبت به فشار انتخاب شده مشروط اندازه گیری می شود آر 0، به اصطلاح سطح فشار صدا به دست می آید. از آنجایی که شدت صدا متناسب با مقدار است پلی اتیلن 2 و lg ( پلی اتیلن 2) = 2 لیتر پلی اتیلنسطح فشار صوت به صورت زیر تعیین می شود:

سطح فشار صدا = 20 لیتر ( پلی اتیلن/پ 0) دسی بل

فشار اسمی آر 0 = 2× 10 – 5 Pa مربوط به آستانه شنوایی استاندارد برای صدای با فرکانس 1 کیلوهرتز است. جدول 2 سطوح فشار صدا را برای برخی از منابع صوتی رایج فهرست می کند. این مقادیر یکپارچه هستند که با میانگین گیری در کل محدوده فرکانس قابل شنیدن به دست می آیند.

جدول 2. سطوح فشار صدا معمولی
منبع صدا	سطح فشار صدا، دسی بل (نسبت به 2H 10-5 Pa)
مغازه مهر زنی
موتورخانه روی کشتی
مغازه ریسندگی و بافندگی
در واگن مترو
در ماشین هنگام رانندگی در ترافیک
دفتر تحریر
بخش حسابداری
دفتر
محله های زندگی
قلمرو منطقه مسکونی در شب
استودیو پخش

جلد.

سطح فشار صدا صرفاً با درک روانشناختی بلندی صدا مرتبط نیست. اولی از این عوامل عینی و دومی ذهنی است. آزمایشات نشان می دهد که درک بلندی صدا نه تنها به شدت صدا، بلکه به فرکانس و شرایط آزمایشی آن نیز بستگی دارد.

بلندی صداهایی که با شرایط مقایسه مرتبط نیستند قابل مقایسه نیستند. با این حال، مقایسه تن های خالص جالب است. برای انجام این کار، سطح فشار صوتی را که در آن تن داده شده برابر با صدای استاندارد با فرکانس 1000 هرتز درک می شود، تعیین کنید. در شکل شکل 9 منحنی هایی با بلندی مساوی را نشان می دهد که در آزمایشات فلچر و منسون به دست آمده است. برای هر منحنی، سطح فشار صدای استاندارد مربوطه 1000 هرتز نشان داده شده است. به عنوان مثال، در فرکانس تون 200 هرتز، سطح صدای 60 دسی بل لازم است تا به عنوان صدای بلندی برابر 1000 هرتز با سطح فشار صوتی 50 دسی بل درک شود.

این منحنی ها برای تعیین پس زمینه استفاده می شود - واحد سطح بلندی صدا، که همچنین در دسی بل اندازه گیری می شود. پس‌زمینه سطح صدایی است که برای آن سطح فشار صدای یک صدای خالص استاندارد با صدای بلند برابر (1000 هرتز) 1 دسی‌بل است. بنابراین، صدایی با فرکانس 200 هرتز در سطح 60 دسی بل دارای سطح بلندی 50 پس زمینه است.

منحنی پایین در شکل. 9 منحنی آستانه شنوایی برای گوش خوب است. محدوده فرکانس قابل شنیدن تقریباً 20 تا 20000 هرتز است.

انتشار امواج صوتی

امواج صوتی مانند امواجی که از یک سنگریزه در آب آرام پرتاب می شوند، در همه جهات حرکت می کنند. توصیف چنین فرآیند انتشار به عنوان یک جبهه موج راحت است. جبهه موج سطحی در فضا است که در تمام نقاط آن نوسانات در یک فاز رخ می دهد. جبهه موج از سنگریزه ای که در آب افتاده است دایره است.

امواج هواپیما

ساده ترین جبهه موج صاف است. یک موج سطحی تنها در یک جهت منتشر می شود و ایده آل سازی است که فقط به طور تقریبی در عمل تحقق می یابد. یک موج صوتی در یک لوله را می توان تقریباً مسطح و همچنین یک موج کروی در فاصله زیادی از منبع در نظر گرفت.

امواج کروی.

موجی با جبهه کروی شکل که از یک نقطه سرچشمه می گیرد و در همه جهات منتشر می شود را نیز می توان به انواع ساده امواج نسبت داد. چنین موجی را می توان با استفاده از یک کره کوچک ضربانی ایجاد کرد. منبعی که موج کروی را تحریک می کند، منبع نقطه ای نامیده می شود. شدت چنین موجی با انتشار کاهش می یابد، زیرا انرژی در یک کره با شعاع فزاینده توزیع می شود.

اگر یک منبع نقطه ای که موج کروی ایجاد می کند توان 4 را ساطع کند p Q، سپس، از آنجایی که سطح یک کره با شعاع rبرابر 4 p r 2، شدت صوت در یک موج کروی است

جی = س/r 2 ,

جایی که r- فاصله از منبع بنابراین، شدت موج کروی به نسبت معکوس با مجذور فاصله از منبع کاهش می یابد.

شدت هر موج صوتی در حین انتشار به دلیل جذب صدا کاهش می یابد. این پدیده در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

اصل هویگنس

اصل هویگنس برای انتشار جبهه موج معتبر است. برای روشن شدن آن، اجازه دهید شکل جبهه موج شناخته شده را در هر لحظه از زمان در نظر بگیریم. بعد از زمان D پیدا می شود تی، اگر هر نقطه از جبهه موج اولیه به عنوان منبع یک موج کروی ابتدایی در نظر گرفته شود که در این فاصله در فاصله ای منتشر می شود. vدی تی... پوشش تمام این جبهه‌های کروی اولیه، جبهه موج جدید خواهد بود. اصل هویگنز به فرد اجازه می دهد تا شکل جبهه موج را در کل فرآیند انتشار تعیین کند. همچنین بیانگر این است که امواج، چه مسطح و چه کروی، هندسه خود را در حین انتشار حفظ می کنند، مشروط بر اینکه محیط همگن باشد.

پراش صدا.

پراش خم شدن موج به دور یک مانع است. پراش با استفاده از اصل هویگنس تجزیه و تحلیل می شود. درجه این خمش به رابطه بین طول موج و اندازه مانع یا سوراخ بستگی دارد. از آنجایی که طول موج صوت چندین برابر بیشتر از طول موج نور است، پراش امواج صوتی نسبت به پراش نور شگفت‌انگیزتر است. بنابراین، می‌توانید با کسی که در گوشه‌ای از ساختمان ایستاده صحبت کنید، اگرچه او قابل مشاهده نیست. یک موج صوتی به راحتی حول یک زاویه خم می شود، در حالی که نور به دلیل طول موج کم، سایه های خشن ایجاد می کند.

پراش یک موج صوت صفحه ای را که روی یک صفحه تخت جامد با دیافراگم برخورد می کند، در نظر بگیرید. برای تعیین شکل جبهه موج در طرف دیگر صفحه، باید رابطه بین طول موج را بدانید. لو قطر سوراخ دی... اگر این مقادیر تقریباً یکسان باشند یا لخیلی بیشتر دی، سپس پراش کامل به دست می آید: جبهه موج موج خروجی کروی خواهد بود و موج به تمام نقاط پشت صفحه می رسد. اگر لکمی کمتر دی، سپس موج خروجی عمدتاً در جهت رو به جلو منتشر می شود. در نهایت، اگر لخیلی کمتر دی، سپس تمام انرژی آن در یک خط مستقیم منتشر می شود. این موارد در شکل نشان داده شده است. 10.

پراش زمانی نیز مشاهده می شود که مانعی در مسیر صوت وجود داشته باشد. اگر اندازه مانع بسیار بزرگتر از طول موج باشد، صدا منعکس می شود و یک ناحیه سایه آکوستیک پشت مانع تشکیل می شود. هنگامی که اندازه مانع با طول موج یا کمتر قابل مقایسه باشد، صدا تا حدی در همه جهات پراکنده می شود. این مورد در آکوستیک معماری مورد توجه قرار می گیرد. به عنوان مثال، گاهی اوقات دیوارهای یک ساختمان با برجستگی هایی با ابعادی به ترتیب طول موج صدا پوشانده می شود. (در فرکانس 100 هرتز، طول موج در هوا حدود 3.5 متر است.) در این حالت، صدا که بر روی دیوارها می افتد، در همه جهات پخش می شود. در آکوستیک معماری به این پدیده انتشار صدا می گویند.

انعکاس و انتقال صدا.

هنگامی که یک موج صوتی در حال حرکت در یک رسانه بر روی رابط با رسانه دیگر می افتد، سه فرآیند می تواند به طور همزمان رخ دهد. موج می تواند از رابط منعکس شود، می تواند بدون تغییر جهت به محیط دیگری منتقل شود یا در رابط تغییر جهت دهد، یعنی. شکست. در شکل شکل 11 ساده‌ترین حالت را نشان می‌دهد که یک موج مسطح در زوایای قائم به سطح صافی که دو ماده مختلف را از هم جدا می‌کند برخورد می‌کند. اگر بازتاب شدت، که کسر انرژی بازتاب شده را تعیین می کند، باشد آر، سپس ضریب انتقال خواهد بود تی = 1 – آر.

برای یک موج صوتی، نسبت فشار بیش از حد به سرعت فضای ارتعاشی امپدانس صوتی نامیده می شود. ضرایب بازتاب و انتقال به نسبت امپدانس موج دو رسانه بستگی دارد، امپدانس موج نیز به نوبه خود با امپدانس های صوتی متناسب است. امپدانس مشخصه گازها بسیار کمتر از مایعات و جامدات است. بنابراین، اگر موجی در هوا به جسم جامد ضخیم یا سطح آب عمیق برخورد کند، صدا تقریباً به طور کامل منعکس می شود. به عنوان مثال، برای مرز بین هوا و آب، نسبت امپدانس های مشخصه 0.0003 است. بر این اساس، انرژی صوت عبوری از هوا به آب تنها برابر با 0.12 درصد انرژی فرودی است. ضرایب بازتاب و انتقال برگشت پذیر هستند: ضریب بازتاب ضریب انتقال در جهت مخالف است. بنابراین، صدا عملا نه از هوا به داخل حوضه آب و نه از زیر آب به بیرون نفوذ نمی کند، که برای همه کسانی که زیر آب شنا می کنند به خوبی شناخته شده است.

در مورد بازتاب در نظر گرفته شده در بالا، فرض شد که ضخامت محیط دوم در جهت انتشار موج زیاد است. اما ضریب انتقال بسیار بالاتر خواهد بود اگر محیط دوم دیواری باشد که دو رسانه یکسان را از هم جدا می کند، مانند یک پارتیشن جامد بین اتاق ها. واقعیت این است که ضخامت دیوار معمولا کمتر از طول موج صدا یا قابل مقایسه با آن است. اگر ضخامت دیوار مضربی از نیمی از طول موج صدا در دیوار باشد، ضریب انتقال موج در برخورد عمود بر هم بسیار بزرگ است. بافل برای صدای این فرکانس کاملاً شفاف خواهد بود، اگر نه برای جذب، که در اینجا از آن غفلت می کنیم. اگر ضخامت دیواره بسیار کمتر از طول موج صوت در آن باشد، بازتاب همیشه کوچک و انتقال بزرگ است، مگر اینکه اقدامات خاصی برای افزایش جذب صدا انجام شود.

انکسار صدا.

هنگامی که یک موج صوتی صفحه با زاویه ای در سطح مشترک بین رسانه ها برخورد می کند، زاویه انعکاس آن برابر با زاویه تابش است. اگر زاویه تابش با 90 درجه متفاوت باشد، موج ارسالی از جهت موج فرودی منحرف می شود. این تغییر جهت موج را شکست می گویند. هندسه انکساری در یک مرز صاف در شکل نشان داده شده است. 12. زوایای بین جهت امواج و نرمال به سطح تعیین شده است q 1 برای موج حادثه و q 2 - برای گذشته شکسته. رابطه بین این دو زاویه فقط شامل نسبت سرعت صوت برای دو رسانه است. مانند امواج نور، این زوایا با قانون اسنل (اسنل) مرتبط هستند:

بنابراین، اگر سرعت صوت در محیط دوم کمتر از محیط اول باشد، زاویه شکست کمتر از زاویه تابش خواهد بود و اگر سرعت در محیط دوم بیشتر باشد، زاویه شکست نیز بیشتر خواهد بود. از زاویه تابش

شکست ناشی از گرادیان دما.

اگر سرعت صوت در یک محیط ناهمگن به طور مداوم از نقطه ای به نقطه دیگر تغییر کند، شکست نیز تغییر می کند. از آنجایی که سرعت صوت هم در هوا و هم در آب به دما بستگی دارد، در حضور یک گرادیان دما، امواج صوتی می توانند جهت حرکت خود را تغییر دهند. در اتمسفر و اقیانوس، معمولاً شیب عمودی دما به دلیل طبقه بندی افقی مشاهده می شود. بنابراین، به دلیل تغییر در سرعت صوت در امتداد عمود، به دلیل شیب دما، موج صوتی می تواند به بالا یا پایین منحرف شود.

اجازه دهید موردی را در نظر بگیریم که در جایی نزدیک به سطح زمین هوا گرمتر از لایه های بالاتر باشد. سپس با افزایش ارتفاع، دمای هوا در اینجا کاهش می یابد و با آن سرعت صوت کاهش می یابد. صدایی که از منبع نزدیک به سطح زمین ساطع می شود در اثر شکست بالا می رود. این در شکل نشان داده شده است. 13، که صدا "پرتوها" را به تصویر می کشد.

انحراف پرتوهای صوت، نشان داده شده در شکل. 13 به طور کلی توسط قانون اسنل توصیف می شود. اگر از طریق qمانند قبل، زاویه بین قائم و جهت تابش را مشخص کنید، سپس قانون اسنل تعمیم یافته به شکل گناه برابری است. q/v= const، اشاره به هر نقطه از پرتو. بنابراین، اگر پرتو وارد منطقه ای شود که سرعت vکاهش می یابد، سپس زاویه qنیز باید کاهش یابد. بنابراین پرتوهای صوت همیشه در جهت کاهش سرعت صوت منحرف می شوند.

از انجیر 13 نشان می دهد که منطقه ای در فاصله ای از منبع قرار دارد که پرتوهای صوتی به هیچ وجه در آن نفوذ نمی کنند. این به اصطلاح منطقه سکوت است.

کاملاً ممکن است جایی در ارتفاعی بیشتر از آنچه در شکل نشان داده شده است. 13، با توجه به گرادیان دما، سرعت صوت با ارتفاع افزایش می یابد. در این حالت، موج صوتی که در ابتدا به سمت بالا منحرف شده است، در اینجا به سطح زمین در فاصله بسیار زیادی منحرف خواهد شد. این زمانی اتفاق می‌افتد که لایه‌ای از وارونگی دما در اتمسفر تشکیل می‌شود که در نتیجه دریافت سیگنال‌های صوتی با برد فوق‌العاده امکان‌پذیر می‌شود. در عین حال کیفیت دریافت در نقاط دور حتی بهتر از نزدیک است. نمونه های زیادی از دریافت با برد فوق العاده در تاریخ وجود داشته است. به عنوان مثال، در طول جنگ جهانی اول، زمانی که شرایط جوی به نفع انکسار صدای کافی بود، شلیک توپ در جبهه فرانسه در انگلستان شنیده می شد.

شکست صدا در زیر آب

شکست صوت به دلیل تغییرات عمودی دما نیز در اقیانوس مشاهده می شود. اگر دما و در نتیجه سرعت صوت با عمق کاهش یابد، پرتوهای صوت به سمت پایین منحرف می‌شوند و در نتیجه ناحیه‌ای از سکوت مشابه آنچه در شکل نشان داده شده است ایجاد می‌شود. 13 برای جو. اگر این تصویر به سادگی برگردانده شود، برای اقیانوس، تصویر مربوطه مشخص می شود.

وجود مناطق سکوت تشخیص زیردریایی ها با سونار را دشوار می کند و شکست که امواج صوتی را به سمت پایین منحرف می کند، به طور قابل توجهی محدوده انتشار آنها را در نزدیکی سطح محدود می کند. با این حال، انحراف به سمت بالا نیز مشاهده می شود. می تواند شرایط مطلوب تری را برای سونار ایجاد کند.

تداخل امواج صوتی

برهم نهی دو یا چند موج تداخل موج نامیده می شود.

امواج ایستاده در نتیجه تداخل.

امواج ایستاده در نظر گرفته شده در بالا یک مورد خاص از تداخل هستند. امواج ایستاده از برهم نهی دو موج با دامنه، فاز و فرکانس یکسان، که در جهت مخالف منتشر می شوند، تشکیل می شوند.

دامنه در پادگره های موج ایستاده برابر با دو برابر دامنه هر یک از امواج است. از آنجایی که شدت یک موج متناسب با مجذور دامنه آن است، به این معنی است که شدت در پادگره ها 4 برابر شدت هر یک از امواج یا 2 برابر شدت کل دو موج است. هیچ نقضی از قانون بقای انرژی وجود ندارد، زیرا شدت در گره ها صفر است.

می زند.

تداخل امواج هارمونیک فرکانس های مختلف نیز امکان پذیر است. هنگامی که دو فرکانس کمی با هم تفاوت داشته باشند، آنچه به عنوان ضربان شناخته می شود رخ می دهد. ضربه ها تغییراتی در دامنه صدا هستند که در فرکانسی برابر با اختلاف بین فرکانس های اصلی رخ می دهد. در شکل 14 یک اسیلوگرام از ضربان را نشان می دهد.

توجه داشته باشید که فرکانس ضربه فرکانس مدولاسیون دامنه صدا است. همچنین، ضربان نباید با فرکانس اختلاف ناشی از اعوجاج هارمونیک اشتباه گرفته شود.

ضربات اغلب هنگام تنظیم دو تن به صورت هماهنگ استفاده می شود. فرکانس تنظیم می شود تا زمانی که ضربان شنیده نشود. حتی اگر فرکانس ضربان بسیار کم باشد، گوش انسان قادر به تشخیص افزایش و کاهش دوره ای در حجم صدا است. بنابراین، ضرب و شتم یک روش بسیار حساس برای تنظیم در محدوده صوتی است. اگر تنظیم دقیق نباشد، می توان با شمردن تعداد ضربان در ثانیه، تفاوت فرکانس را با گوش تعیین کرد. در موسیقی، ضربات اجزای هارمونیک بالاتر توسط گوش نیز درک می شود که هنگام کوک پیانو استفاده می شود.

جذب امواج صوتی.

شدت امواج صوتی در فرآیند انتشار آنها به دلیل تلف شدن بخش خاصی از انرژی صوتی همیشه کاهش می یابد. به دلیل فرآیندهای انتقال حرارت، برهمکنش بین مولکولی و اصطکاک داخلی، امواج صوتی در هر محیطی جذب می شوند. میزان جذب به فرکانس موج صوتی و عوامل دیگری مانند فشار و دمای محیط بستگی دارد.

جذب موج در یک محیط از نظر کمی با ضریب جذب مشخص می شود. آ... این نشان می دهد که چگونه به سرعت فشار بیش از حد به عنوان تابعی از مسافت طی شده توسط موج انتشار کاهش می یابد. کاهش دامنه فشار بیش از حد -D R eهنگام عبور از مسافت D ایکسمتناسب با دامنه فشار بیش از حد اولیه است R eو فاصله D ایکس... به این ترتیب،

-D پلی اتیلن = بوزینهدی ایکس.

به عنوان مثال، هنگامی که گفته می شود افت جذب 1 دسی بل در متر است، به این معنی است که در فاصله 50 متری، سطح فشار صدا 50 دسی بل کاهش می یابد.

جذب به دلیل اصطکاک داخلی و هدایت حرارتی.

هنگامی که ذرات همراه با انتشار یک موج صوتی حرکت می کنند، اصطکاک بین ذرات مختلف محیط اجتناب ناپذیر است. در مایعات و گازها به این اصطکاک ویسکوزیته می گویند. ویسکوزیته که باعث تبدیل برگشت ناپذیر انرژی موج صوتی به گرما می شود، دلیل اصلی جذب صدا در گازها و مایعات است.

علاوه بر این، جذب در گازها و مایعات به دلیل از دست دادن گرما در هنگام فشرده سازی در یک موج است. قبلاً گفتیم که در هنگام عبور موج، گاز در فاز تراکم گرم می شود. در این فرآیند سریع، گرما معمولاً زمان لازم برای انتقال به سایر نواحی گاز یا دیواره های ظرف را ندارد. اما در واقعیت، این فرآیند ایده آل نیست و بخشی از انرژی حرارتی آزاد شده از سیستم خارج می شود. این به جذب صوت به دلیل هدایت حرارتی مربوط می شود. چنین جذبی در امواج فشرده سازی در گازها، مایعات و جامدات رخ می دهد.

جذب صوت به دلیل گرانروی و هدایت حرارتی معمولاً با مجذور فرکانس افزایش می یابد. بنابراین، صداهای با فرکانس بالا بسیار قوی تر از صداهای فرکانس پایین جذب می شوند. به عنوان مثال، در فشار و دمای معمولی، ضریب جذب (به دلیل هر دو مکانیسم) در فرکانس 5 کیلوهرتز در هوا حدود 3 دسی بل در کیلومتر است. از آنجایی که جذب متناسب با مجذور فرکانس است، ضریب جذب در فرکانس 50 کیلوهرتز 300 دسی بل در کیلومتر است.

جذب در جامدات

مکانیسم جذب صوت به دلیل هدایت حرارتی و ویسکوزیته که در گازها و مایعات صورت می گیرد، در جامدات نیز حفظ می شود. با این حال، در اینجا مکانیسم های جذب جدید به آن اضافه می شود. آنها با نقص ساختاری در جامدات همراه هستند. نکته این است که مواد جامد چند کریستالی از بلورهای کوچک تشکیل شده اند. هنگام عبور صدا، تغییر شکل هایی در آنها ایجاد می شود که منجر به جذب انرژی صوتی می شود. صدا نیز در مرز کریستالیت ها پراکنده می شود. علاوه بر این، حتی تک کریستال ها دارای نقص هایی از نوع دررفتگی هستند که به جذب صدا کمک می کند. نابجایی ها نقض تراز هواپیماهای اتمی است. هنگامی که یک موج صوتی باعث ارتعاش اتم ها می شود، نابجایی ها حرکت می کنند و سپس به موقعیت اولیه خود باز می گردند و انرژی به دلیل اصطکاک داخلی تلف می شوند.

جذب ناشی از دررفتگی به ویژه توضیح می دهد که چرا زنگ سرب به صدا در نمی آید. سرب فلز نرمی است که در آن نابجایی های زیادی وجود دارد و به همین دلیل ارتعاشات صوتی در آن بسیار سریع تحلیل می رود. اما اگر با هوای مایع خنک شود به خوبی زنگ می زند. در دماهای پایین، نابجایی ها در یک موقعیت ثابت "یخ زده" می شوند و بنابراین تغییر نمی کنند و انرژی صوتی را به گرما تبدیل نمی کنند.

آکوستیک موزیکال

صداهای موسیقی

آکوستیک موسیقی به بررسی ویژگی های صداهای موسیقی، ویژگی های آنها در ارتباط با نحوه درک ما از آنها و مکانیسم های صدای آلات موسیقی می پردازد.

صدای موسیقایی یا آهنگ، صدای دوره ای است، یعنی. نوساناتی که پس از یک دوره معین بارها و بارها تکرار می شوند. در بالا گفته شد که صدای تناوبی را می توان به صورت مجموع نوسانات با فرکانس هایی که مضرب فرکانس اصلی هستند نشان داد. f: 2f, 3f, 4fو غیره. همچنین اشاره شد که سیم‌ها و ستون‌های ارتعاشی هوا صداهای موسیقی را منتشر می‌کنند.

صداهای موسیقی به سه صورت متفاوت است: حجم، زیر و بم و تایم. همه این شاخص ها ذهنی هستند، اما می توانند با کمیت های قابل اندازه گیری مرتبط باشند. بلندی صدا عمدتاً به شدت صدا مربوط می شود. گام، که موقعیت آن را در سیستم موسیقی مشخص می کند، با فرکانس تن تعیین می شود. تمبری که در آن یک ساز یا صدا با دیگری متفاوت است با توزیع انرژی در هارمونیک ها و تغییر در این توزیع در طول زمان مشخص می شود.

زیر و بمی صدا.

زیر و بمی صدای موسیقی ارتباط نزدیکی با فرکانس دارد، اما با آن یکسان نیست، زیرا ارزیابی زیر و بم آن ذهنی است.

بنابراین، برای مثال، مشخص شد که ارزیابی ارتفاع صدای تک فرکانس تا حدودی به سطح بلندی آن بستگی دارد. با افزایش قابل توجه سطح صدا، مثلاً 40 دسی بل، فرکانس ظاهری می تواند 10٪ کاهش یابد. در عمل، این وابستگی به بلندی صدا بی ربط است، زیرا صداهای موسیقی بسیار پیچیده تر از صدای تک فرکانس هستند.

در سؤال از رابطه بین زیر و بم و فرکانس، چیز دیگری قابل توجه تر است: اگر صداهای موسیقی از هارمونیک تشکیل شده است، پس گام درک شده با چه فرکانسی مرتبط است؟ معلوم می شود که ممکن است این فرکانس منطبق بر حداکثر انرژی نباشد و کمترین فرکانس در طیف نباشد. به عنوان مثال، صدای موسیقی متشکل از مجموعه ای از فرکانس های 200، 300، 400 و 500 هرتز به عنوان صدایی با ارتفاع 100 هرتز درک می شود. یعنی گام با فرکانس اساسی سری هارمونیک مرتبط است، حتی اگر در طیف صدا نباشد. درست است، اغلب فرکانس بنیادی به یک شکل در طیف وجود دارد.

با صحبت در مورد رابطه بین گام و فرکانس آن، نباید ویژگی های اندام شنوایی انسان را فراموش کرد. این یک گیرنده آکوستیک ویژه است که اعوجاج خاص خود را معرفی می کند (غیر از این که جنبه های روانی و ذهنی شنوایی وجود دارد). گوش قادر به تولید فرکانس های خاصی است، علاوه بر این، موج صوتی در آن دچار اعوجاج غیرخطی می شود. انتخاب فرکانس به دلیل تفاوت بین بلندی صدا و شدت آن است (شکل 9). توضیح بیشتر، اعوجاج هارمونیک است، که ظاهر فرکانس هایی است که در سیگنال اصلی وجود ندارند. غیر خطی بودن واکنش گوش به دلیل عدم تقارن حرکت عناصر مختلف آن است.

یکی از ویژگی های بارز سیستم گیرنده غیرخطی این است که وقتی توسط صدا با فرکانس برانگیخته می شود f 1 رنگ هارمونیک در آن برانگیخته می شود 2 f 1 , 3f 1، ...، و در برخی موارد نیز ساب هارمونیک های نوع 1/2 fیکی . علاوه بر این، هنگامی که یک سیستم غیر خطی توسط دو فرکانس برانگیخته می شود f 1 و f 2، فرکانس های کل و اختلاف در آن برانگیخته می شوند f 1 + f 2 و f 1 - f 2. هر چه دامنه ارتعاشات اولیه بیشتر باشد، سهم فرکانس های "اضافی" بیشتر است.

بنابراین، به دلیل غیر خطی بودن ویژگی های صوتی گوش، فرکانس هایی که در صدا وجود ندارند ممکن است ظاهر شوند. به این فرکانس ها تن های ذهنی می گویند. فرض کنید صدا از تون های خالص فرکانس های 200 و 250 هرتز تشکیل شده است. به دلیل غیر خطی بودن پاسخ، فرکانس های 250 - 200 = 50، 250 + 200 = 450، 2ґ 200 = 400، 2ґ 250 = 500 هرتز و غیره به علاوه ظاهر می شوند. شنونده فکر می کند که مجموعه ای کامل از فرکانس های ترکیبی در صدا وجود دارد، اما ظاهر آنها در واقع به دلیل پاسخ غیر خطی گوش است. هنگامی که یک صدای موسیقی از یک فرکانس اساسی و هارمونیک های آن تشکیل شده باشد، بدیهی است که فرکانس اصلی به طور موثر توسط فرکانس های متفاوت تقویت می شود.

درست است، همانطور که مطالعات نشان داده اند، فرکانس های ذهنی تنها با دامنه به اندازه کافی بزرگ سیگنال اصلی ایجاد می شوند. بنابراین، ممکن است در گذشته نقش فرکانس های ذهنی در موسیقی بسیار اغراق آمیز بوده باشد.

استانداردهای موسیقی و اندازه گیری زیر و بم موسیقی.

در تاریخ موسیقی، صداهایی با فرکانس های مختلف به عنوان لحن اساسی که کل ساختار موسیقی را تعیین می کند، در نظر گرفته شده است. فرکانس پذیرفته شده در حال حاضر برای اکتاو اول A 440 هرتز است. اما در گذشته از 400 تا 462 هرتز متغیر بوده است.

روش سنتی برای تعیین زیر و بمی صدا، مقایسه آن با تن یک چنگال تنظیم استاندارد است. انحراف فرکانس یک صدای معین از استاندارد با حضور ضربان قضاوت می شود. چنگال های تنظیم هنوز هم امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، اگرچه اکنون دستگاه های راحت تری برای تعیین گام وجود دارد، مانند یک ژنراتور مرجع فرکانس پایدار (با تشدید کننده کوارتز)، که می تواند به آرامی در کل محدوده صدا تنظیم شود. درست است، کالیبراسیون دقیق چنین دستگاهی بسیار دشوار است.

یک روش استروبوسکوپی گسترده برای اندازه گیری گام، که در آن صدای یک آلت موسیقی فرکانس چشمک زدن لامپ استروبوسکوپی را تنظیم می کند. لامپ الگوی دیسکی را که با فرکانس مشخصی می چرخد ​​روشن می کند و فرکانس اصلی تن از فرکانس ظاهری حرکت الگوی روی دیسک تحت نور استروبوسکوپی تعیین می شود.

گوش به تغییرات گام بسیار حساس است، اما حساسیت آن به فرکانس بستگی دارد. حداکثر نزدیک به آستانه پایین شنوایی است. حتی گوش های آموزش ندیده نیز می توانند تفاوت فرکانس 0.3 درصدی را در محدوده 500 تا 5000 هرتز تشخیص دهند. حساسیت را می توان با تمرین افزایش داد. نوازندگان حس بسیار توسعه یافته ای از زیر و بمی دارند، اما این همیشه به تعیین فرکانس صدای خالص تولید شده توسط نوسانگر مرجع کمک نمی کند. این نشان می دهد که هنگام تعیین فرکانس صدا توسط گوش، تن صدا نقش مهمی ایفا می کند.

تایمبر.

Timbre به آن دسته از ویژگی های صداهای موسیقی اشاره دارد که به آلات و صداهای موسیقی ویژگی منحصر به فرد خود را می بخشد، حتی اگر صداهایی با بلندی و حجم یکسان را با هم مقایسه کنیم. به اصطلاح کیفیت صدا این است.

تمبر به طیف فرکانس صدا و تغییرات آن در طول زمان بستگی دارد. این توسط عوامل متعددی تعیین می شود: توزیع انرژی توسط تون ها، فرکانس هایی که در لحظه ظهور یا خاتمه صدا رخ می دهد (به اصطلاح زنگ های انتقال) و زوال آنها، و همچنین دامنه و مدولاسیون فرکانس آهسته صدا. صدا ("ویبراتو").

شدت.

یک ریسمان کشیده را در نظر بگیرید که در قسمت میانی آن توسط یک کنده برانگیخته می شود (شکل 15، آ). از آنجایی که همه هارمونیک های زوج دارای گره هایی در وسط هستند، آنها وجود ندارند و نوسانات متشکل از هارمونیک های فرد با فرکانس اصلی برابر با f 1 = v/2ل، جایی که v -سرعت موج در رشته، و ل- طول آن بنابراین، فقط فرکانس ها وجود خواهند داشت f 1 , 3f 1 , 5f 1 و غیره دامنه نسبی این هارمونیک ها در شکل 1 نشان داده شده است. 15، ب.

این مثال به ما امکان می دهد نتیجه کلی مهم زیر را بگیریم. مجموعه هارمونیک های یک سیستم تشدید با پیکربندی آن تعیین می شود و توزیع انرژی هارمونیک به روش تحریک بستگی دارد. هنگامی که سیم برانگیخته می شود، فرکانس بنیادی در وسط آن غالب است و هارمونیک های یکنواخت کاملاً سرکوب می شوند. اگر رشته در قسمت میانی خود ثابت شود و در جای دیگری کنده شود، فرکانس اساسی و هارمونیک های فرد سرکوب می شوند.

همه اینها در مورد سایر آلات موسیقی شناخته شده صدق می کند، اگرچه جزئیات می تواند بسیار متفاوت باشد. سازها معمولاً دارای یک حفره هوا، تخته صدا یا بوق برای انتشار صدا هستند. همه اینها ساختار رنگ ها و ظاهر فرمانت ها را تعیین می کند.

فرمانت ها.

همانطور که در بالا گفته شد، کیفیت صدای آلات موسیقی به توزیع هارمونیک انرژی بستگی دارد. هنگامی که گام بسیاری از سازها و به خصوص صدای انسان تغییر می کند، توزیع هارمونیک تغییر می کند به طوری که اهنگ های اصلی همیشه تقریباً در همان محدوده فرکانسی قرار می گیرند که به آن محدوده فرمانت می گویند. یکی از دلایل وجود فرمانت ها استفاده از المان های تشدید کننده برای تقویت صدا مانند تخته صدا و تشدید کننده هوا می باشد. عرض تشدید طبیعی معمولاً زیاد است و به همین دلیل راندمان تابش در فرکانس های مربوطه بیشتر است. در سازهای برنجی، فرمانت ها با زنگی که صدا از آن خارج می شود تعیین می شود. فراتون در محدوده فرمانت همیشه به شدت مورد تاکید است، زیرا آنها با حداکثر انرژی منتشر می شوند. فرمنت ها تا حد زیادی ویژگی های کیفی مشخصه صداهای یک ساز یا صدای موسیقی را تعیین می کنند.

تغییر تن در طول زمان.

لحن صدای هر ساز به ندرت در طول زمان ثابت می ماند و تن صدا به طور قابل توجهی به این امر مرتبط است. حتی زمانی که ساز یک نت طولانی را حفظ می کند، یک مدولاسیون دوره ای جزئی از فرکانس و دامنه وجود دارد که صدا را غنی می کند - "ویبراتو". این امر به ویژه در مورد سازهای زهی مانند ویولن و برای صدای انسان صادق است.

در بسیاری از سازها، به عنوان مثال، پیانو، مدت زمان صدا به گونه ای است که یک آهنگ ثابت زمان تشکیل را ندارد - صدای هیجان زده به سرعت افزایش می یابد و سپس زوال سریع آن به دنبال دارد. از آنجایی که فروپاشی تون ها معمولاً به دلیل اثرات وابسته به فرکانس (مانند تشعشعات صوتی) است، بدیهی است که توزیع تون در طول تون تغییر می کند.

ماهیت تغییر لحن در طول زمان (میزان افزایش و کاهش صدا) برای برخی سازها به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است. 18. همانطور که می بینید، سازهای زهی (دارای زهی و کیبورد) عملا لحن ثابتی ندارند. در چنین مواردی، می توان فقط به صورت مشروط در مورد طیف تون صحبت کرد، زیرا صدا به سرعت در طول زمان تغییر می کند. ویژگی‌های صعود و سقوط نیز جزء مهمی از صدای این سازها هستند.

زنگ های انتقالی

ترکیب هارمونیک لحن معمولاً در مدت کوتاهی پس از تحریک صدا به سرعت تغییر می کند. در سازهایی که صدا با زدن سیم یا کندن برانگیخته می‌شود، انرژی وارد شده بر هارمونیک‌های بالاتر (و همچنین بر اجزای غیر هارمونیک متعدد) بلافاصله پس از شروع صدا حداکثر است و پس از کسری از ثانیه، این فرکانس ها منجمد می شوند. این صداها که صداهای انتقال نامیده می شوند، رنگ خاصی به صدای ساز می دهند. در پیانو، آنها در اثر برخورد چکش به سیم ایجاد می شوند. گاهی اوقات آلات موسیقی با ساختار صدای یکسان را می توان تنها با آهنگ های انتقالی آنها تشخیص داد.

صدای سازهای موسیقی

صداهای موسیقی را می توان به طرق مختلف برانگیخت و تغییر داد، و بنابراین آلات موسیقی به اشکال مختلف تولید می شوند. بیشتر سازها توسط خود نوازندگان و صنعتگران ماهر ساخته و بهبود یافتند که به نظریه علمی متوسل نشدند. بنابراین علم آکوستیک نمی تواند مثلاً توضیح دهد که چرا ویولن چنین شکلی دارد. با این حال، می توان ویژگی های صدای ویولن را بر اساس اصول کلی نواختن آن و ساخت آن توصیف کرد.

محدوده فرکانس یک ساز معمولاً به عنوان محدوده فرکانس زنگ های اصلی آن درک می شود. صدای انسان حدود دو اکتاو و آلات موسیقی حداقل سه را پوشش می دهد (ارگ بزرگ ده است). در بیشتر موارد، تون‌ها تا لبه‌های محدوده صدای قابل شنیدن گسترش می‌یابند.

آلات موسیقی سه بخش اصلی دارند: یک عنصر نوسانی، مکانیزمی برای برانگیختن آن، و یک تشدید کننده کمکی (بوق یا صفحه صدا) برای ارتباط صوتی بین عنصر نوسانی و هوای اطراف.

صدای موسیقی در زمان تناوبی است و صداهای دوره ای از یک سری هارمونیک تشکیل شده اند. از آنجایی که فرکانس های طبیعی ارتعاش سیم ها و ستون های هوا با طول ثابت به طور هماهنگ با یکدیگر مرتبط هستند، در بسیاری از سازها عناصر اصلی ارتعاش سیم ها و ستون های هوا هستند. به جز چند استثنا (فلوت یکی از آنهاست)، نمی توانید صدای تک فرکانس را روی سازها بگیرید. هنگامی که ویبراتور اصلی برانگیخته می شود، صدایی تولید می شود که حاوی تون هایی است. برخی از ویبره ها دارای فرکانس های تشدید هستند که هارمونیک نیستند. سازهایی از این دست (مانند طبل و سنج) در موسیقی ارکستر برای بیان و تاکید بر ریتم استفاده می شود، اما برای توسعه ملودیک استفاده نمی شود.

سازهای زهی.

یک سیم نوسانی به خودی خود یک پخش کننده صدای ضعیف است و بنابراین یک ساز زهی باید یک تشدید کننده اضافی برای تحریک صدایی با شدت قابل توجه داشته باشد. این می تواند یک حجم بسته از هوا، یک عرشه یا ترکیبی از هر دو باشد. شخصیت صدای ساز نیز با نحوه برانگیختن سیم ها مشخص می شود.

قبلاً دیدیم که فرکانس ارتعاش اساسی یک رشته با طول ثابت است Lاز رابطه زیر بدست می آید

جایی که تیآیا نیروی کشش رشته است، و r Lجرم واحد طول رشته است. بنابراین، فرکانس را به سه روش می توانیم تغییر دهیم: با تغییر طول، کشش یا جرم. بسیاری از سازها از تعداد کمی سیم با طول یکسان استفاده می کنند که فرکانس های اساسی آنها توسط انتخاب مناسب کشش و جرم تعیین می شود. فرکانس های دیگر با کوتاه کردن طول رشته با انگشتان به دست می آیند.

در سازهای دیگر، مانند پیانو، برای هر نت یکی از سیم های از پیش کوک شده در نظر گرفته شده است. کوک کردن پیانو در جایی که طیف وسیعی از فرکانس ها وجود دارد کار آسانی نیست، به خصوص در منطقه فرکانس پایین. کشش تمام سیم های پیانو تقریباً یکسان است (تقریباً 2 کیلو نیوتن)، و تنوع فرکانس ها با تغییر طول و ضخامت سیم ها به دست می آید.

ساز زهی را می توان با چیدن (مثلاً بر روی چنگ یا بانجو)، کوبه ای (روی پیانو) یا با آرشه (در مورد آلات موسیقی خانواده ویولن) به هیجان آورد. در تمام موارد، همانطور که در بالا نشان داده شد، تعداد هارمونیک ها و دامنه آنها به نحوه برانگیختگی رشته بستگی دارد.

پیانو.

یک نمونه معمولی از سازهایی که سیم در آن زده می شود پیانو است. بدنه بزرگ این ساز طیف وسیعی از فرمت ها را ارائه می دهد، بنابراین تایم آن برای هر نت هیجان انگیزی بسیار یکنواخت است. ماکزیمم شکل‌های اصلی در فرکانس‌های مرتبه 400-500 هرتز رخ می‌دهد و در فرکانس‌های پایین‌تر، تن‌ها به‌ویژه از نظر هارمونیک غنی هستند و دامنه فرکانس اصلی کمتر از برخی از تون‌ها است. در پیانو، ضربه چکش به همه سیم‌ها به جز کوتاه‌ترین سیم‌ها، روی نقطه‌ای می‌افتد که در فاصله 1/7 طول سیم از یکی از انتهای آن قرار دارد. این معمولاً با این واقعیت توضیح داده می شود که در این مورد هارمونیک هفتم که با توجه به فرکانس اساسی ناهنجار است، به طور قابل توجهی سرکوب می شود. اما به دلیل پهنای محدود چکش، هارمونیک های دیگر واقع در نزدیکی هفتم نیز سرکوب می شوند.

خانواده ویولن

در خانواده سازهای ویولن، صداهای بلند با آرشه تولید می شود که به کمک آن یک نیروی محرکه متناوب به سیم وارد می شود تا سیم در حال لرزش باشد. تحت عمل کمان متحرک، ریسمان در اثر اصطکاک به طرفین کشیده می شود تا در اثر افزایش نیروی کشش از بین برود. با بازگشت به موقعیت شروع، او دوباره توسط کمان برده می شود. این فرآیند به گونه ای تکرار می شود که یک نیروی خارجی دوره ای بر روی رشته وارد شود.

به منظور افزایش سایز و کاهش دامنه فرکانس، سازهای زهی اصلی آرشه ای به این صورت تنظیم می شوند: ویولن، ویولا، ویولن سل، کنترباس. طيف فركانسي اين سازها به ويژه از نظر لحن‌هاي غني است كه بي‌ترديد گرما و رسايي خاصي به صداي آن‌ها مي‌دهد. در خانواده ویولن، سیم ارتعاشی به طور صوتی با حفره هوا و بدنه ساز مرتبط است، که عمدتاً ساختار سازها را تعیین می کند که محدوده فرکانسی بسیار وسیعی را اشغال می کنند. نمایندگان بزرگ خانواده ویولن دارای مجموعه ای از فرمنت ها هستند که به سمت فرکانس های پایین تغییر می کنند. بنابراین، همان نت که بر روی دو ساز از خانواده ویولن نواخته می شود، به دلیل تفاوت در ساختار تون، رنگ تندی متفاوتی پیدا می کند.

این ویولن به دلیل شکل بدنه اش رزونانس مشخصی نزدیک به 500 هرتز دارد. هنگامی که نت نزدیک به این فرکانس پخش می شود، ممکن است یک صدای ارتعاشی ناخواسته به نام "تن گرگ" تولید شود. حفره هوای داخل بدنه ویولن نیز فرکانس های تشدید خاص خود را دارد که فرکانس اصلی آن نزدیک به 400 هرتز قرار دارد. ویولن به دلیل شکل خاص خود دارای طنین های متعدد و نزدیک به هم است. همه آنها، به جز لحن گرگ، در طیف کلی صدای استخراج شده چندان برجسته نیستند.

سازهای بادی.

سازهای بادی چوبی.

ارتعاشات طبیعی هوا در یک لوله استوانه ای با طول محدود قبلاً مورد بحث قرار گرفت. فرکانس های طبیعی مجموعه ای از هارمونیک ها را تشکیل می دهند که فرکانس اصلی آنها با طول لوله نسبت معکوس دارد. صداهای موسیقی در سازهای بادی به دلیل برانگیختگی طنین دار یک ستون هوا به وجود می آیند.

ارتعاشات هوا یا بوسیله ارتعاشات جریان هوا که روی لبه تیز دیوار تشدید کننده می افتند یا با ارتعاشات سطح انعطاف پذیر زبان در جریان هوا تحریک می شوند. در هر دو مورد، تغییرات فشار دوره ای در ناحیه موضعی بشکه ابزار رخ می دهد.

اولین مورد از این روش های تحریک مبتنی بر وقوع "تن های لبه" است. هنگامی که جریانی از هوا از شکاف خارج می شود، که توسط یک مانع گوه ای شکل با لبه تیز شکسته می شود، گرداب هایی به صورت دوره ای ظاهر می شوند - اکنون در یک طرف گوه، سپس در طرف دیگر گوه. فرکانس تشکیل آنها بیشتر است، سرعت جریان هوا بیشتر است. اگر چنین دستگاهی از نظر صوتی به یک ستون هوای تشدید کننده متصل شود، فرکانس صدای لبه توسط فرکانس تشدید ستون هوا "گرفته" می شود، یعنی. فرکانس تشکیل گرداب توسط ستون هوا تعیین می شود. در چنین شرایطی، فرکانس اصلی ستون هوا تنها زمانی تحریک می شود که نرخ جریان هوا از حداقل مقدار معینی تجاوز کند. در بازه معینی از سرعت های بیش از این مقدار، فرکانس تن لبه برابر با این فرکانس اساسی است. در یک سرعت جریان هوا حتی بالاتر (نزدیک به سرعتی که فرکانس لبه در صورت عدم جفت شدن با تشدید کننده برابر با هارمونیک دوم تشدید کننده خواهد بود)، فرکانس لبه به طور ناگهانی دو برابر می شود و گامی که از کل سیستم ساطع می شود مشخص می شود. یک اکتاو بالاتر باشد. به این می گویند زیاده روی.

ستون های هوا در سازهایی مانند ارگ، فلوت و فلوت پیکولو با صداهای لبه برانگیخته می شوند. هنگام نواختن فلوت، نوازنده صداهای لبه را با دمیدن از پهلو به دهانه کناری نزدیک یکی از انتهای آن تحریک می کند. نت های یک اکتاو، که از "D" و بالاتر شروع می شود، با تغییر طول موثر تنه، باز کردن سوراخ های جانبی، با صدای لبه معمولی به دست می آیند. اکتاوهای بالاتر با ضربه دریافت می شوند.

راه دیگر برای برانگیختن صدای ساز بادی بر اساس قطع دوره ای جریان هوا با زبانه نوسانی است که از آنجایی که از نی ساخته شده است به آن نی می گویند. از این روش در سازهای مختلف چوبی و برنجی استفاده می شود. انواع با یک نی (مثلاً در سازهای کلارینت، ساکسیفون و آکاردئون) و با نی دوتایی متقارن (مثلاً در ابوا و باسون) امکان پذیر است. در هر دو مورد، فرآیند نوسانی یکسان است: هوا از طریق یک شکاف باریک دمیده می شود که در آن فشار مطابق با قانون برنولی کاهش می یابد. در همان زمان، عصا به داخل شکاف کشیده می شود و روی آن همپوشانی می کند. در غیاب جریان، نی الاستیک صاف می شود و روند تکرار می شود.

در سازهای بادی، شمارش نت های ترازو و همچنین بر روی فلوت با بازکردن سوراخ های کناری و دمیدن انجام می شود.

بر خلاف لوله ای که در هر دو انتها باز است، که دارای مجموعه ای کامل از رنگ ها است، لوله ای که فقط در یک انتها باز است، فقط هارمونیک های فرد دارد. سانتی متر. در بالا). این پیکربندی کلارینت است و بنابراین هارمونیک های یکنواخت ضعیف بیان می شوند. اوردرایو در کلارینت با فرکانس 3 برابر بیشتر از فرکانس اصلی رخ می دهد.

در ابوا، هارمونیک دوم کاملاً شدید است. تفاوت آن با کلارینت در این است که سوراخ بشکه آن مخروطی است، در حالی که در کلارینت بخش کانال در بیشتر طول آن ثابت است. محاسبه فرکانس‌های ارتعاش در یک بشکه مخروطی دشوارتر از یک لوله استوانه‌ای است، اما هنوز هم مجموعه‌ای کامل از رنگ‌ها وجود دارد. در این مورد، فرکانس ارتعاش یک لوله مخروطی با انتهای باریک بسته مانند یک لوله استوانه ای باز در دو انتها است.

ابزار برنجی.

مسی‌ها، از جمله بوق فرانسوی، ترومپت، کورنت پیستون، ترومبون، هورن و توبا، توسط لب‌ها تحریک می‌شوند، که وقتی با دهانه‌ای با شکل خاص ترکیب می‌شوند، شبیه به عملکرد نی دوتایی هستند. فشار هوا هنگام برانگیختگی صدا در اینجا بسیار بیشتر از بادهای چوبی است. شاخ های برنجی، به عنوان یک قاعده، یک بشکه فلزی با بخش های استوانه ای و مخروطی هستند که با یک زنگ به پایان می رسد. بخش ها برای ارائه طیف کاملی از هارمونیک ها انتخاب شده اند. طول کل بشکه از 1.8 متر برای لوله تا 5.5 متر برای لوله توبا متغیر است. لوله برای سهولت در جابجایی و نه به دلایل صوتی سیم پیچ شده است.

با طول بشکه ثابت، اجراکننده تنها نت هایی دارد که توسط فرکانس های طبیعی بشکه تعیین می شود (و فرکانس اصلی معمولا "غیرقابل شکست" است)، و هارمونیک های بالاتر با افزایش فشار هوا در قطعه دهانی تحریک می شوند. بنابراین، بر روی یک بوق با طول ثابت، فقط می توانید چند نت (هارمونیک دوم، سوم، چهارم، پنجم و ششم) را اجرا کنید. در سایر سازهای برنجی، فرکانس بین هارمونیک ها با تغییر در طول بشکه گرفته می شود. ترومبون از این نظر منحصر به فرد است که طول لوله آن با حرکت صاف مرحله U شکل جمع شونده تنظیم می شود. شمارش نت‌های کل مقیاس توسط هفت موقعیت مختلف بال‌ها با تغییر در رنگ هیجان‌انگیز تنه ارائه می‌شود. در سایر ابزارهای برنجی، این امر با گسترش موثر تمام طول بشکه با سه کانال جانبی با طول های مختلف و در ترکیب های مختلف به دست می آید. این به هفت طول مختلف بشکه می دهد. مانند ترومبون، نت‌های کل مقیاس با سری‌های مختلف رنگ‌های هیجان‌انگیز مربوط به این هفت طول بشکه برداشته می‌شوند.

آهنگ تمام سازهای برنجی سرشار از هارمونیک است. این عمدتا به دلیل وجود زنگ است که باعث افزایش راندمان انتشار صدا در فرکانس های بالا می شود. ترومپت و بوق به گونه ای طراحی شده اند که در طیف وسیع تری از هارمونیک ها نسبت به بوق نواخته شوند. قسمت سولو ترومپت در آثار آی باخ شامل قطعات زیادی در اکتاو چهارم ردیف است که به هارمونیک بیست و یکم این ساز می رسد.

سازهای کوبه ای.

سازهای کوبه ای با ضربه زدن به بدنه ساز و در نتیجه تحریک ارتعاشات آزاد آن به صدا در می آیند. چنین سازهایی با پیانو که در آن ارتعاشات نیز توسط یک شوک برانگیخته می‌شود، از دو جهت متفاوت هستند: یک بدنه نوسانی رنگ‌های هارمونیک نمی‌دهد و خود می‌تواند صدا را بدون تشدیدگر اضافی منتشر کند. سازهای کوبه ای شامل طبل، سنج، زیلوفون و مثلث است.

ارتعاشات جامدات بسیار پیچیده تر از یک تشدید کننده هوا با همان شکل است، زیرا حالت های ارتعاش بیشتری در جامدات وجود دارد. بنابراین، امواج فشرده سازی، خمشی و پیچشی می توانند در امتداد یک میله فلزی منتشر شوند. بنابراین، یک میله استوانه ای حالت های ارتعاش و بنابراین فرکانس های تشدید بیشتری نسبت به یک ستون هوای استوانه ای دارد. علاوه بر این، این فرکانس های تشدید یک سری هارمونیک تشکیل نمی دهند. زیلوفون از ارتعاشات خمشی میله های جامد استفاده می کند. نسبت های نوسان میله زیلوفون نوسانی به فرکانس اصلی به شرح زیر است: 2.76، 5.4، 8.9 و 13.3.

چنگال تنظیم یک میله منحنی نوسانی است و نوع اصلی نوسان آن زمانی رخ می دهد که هر دو بازو به طور همزمان به یکدیگر نزدیک شوند یا از یکدیگر دور شوند. چنگال تنظیم یک سری تون هارمونیک ندارد و فقط از فرکانس اصلی آن استفاده می شود. فرکانس اولین صدای آن بیش از 6 برابر فرکانس اصلی است.

نمونه دیگری از جامد ارتعاشی که صداهای موسیقی تولید می کند زنگ است. ناقوس ها از نظر اندازه متفاوت هستند، از یک ناقوس کوچک گرفته تا یک ناقوس کلیسا. هر چه زنگ بزرگتر باشد، صداهای آن کمتر می شود. شکل و سایر ویژگی‌های ناقوس‌ها در سیر تکاملی چند صد ساله خود دستخوش تغییرات زیادی شده است. تعداد کمی از شرکت ها در ساخت آنها مشغول هستند که به مهارت زیادی نیاز دارد.

ردیف اصلی زنگ هارمونیک نیست و نسبت های تون برای زنگ های مختلف یکسان نیست. به عنوان مثال، برای یک زنگ بزرگ، نسبت‌های اندازه‌گیری شده فرکانس‌های فراتون به فرکانس اصلی 1.65، 2.10، 3.00، 3.54، 4.97 و 5.33 بود. اما توزیع انرژی بر روی تن ها بلافاصله پس از زدن زنگ به سرعت تغییر می کند و ظاهراً شکل زنگ به گونه ای انتخاب می شود که فرکانس های غالب تقریباً هماهنگ هستند. گام یک زنگ توسط فرکانس اصلی تعیین نمی شود، بلکه توسط نتی که بلافاصله پس از زده شدن غالب است تعیین می شود. تقریباً با صدای پنجم زنگ مطابقت دارد. پس از مدتی، اهنگ های پایین در صدای زنگ شروع به غالب شدن می کنند.

در یک درام، عنصر نوسانی یک غشای چرمی است که معمولاً گرد است، که می‌توان آن را به عنوان آنالوگ دوبعدی یک رشته کشیده مشاهده کرد. در موسیقی، طبل به اندازه سیم مهم نیست، زیرا مجموعه طبیعی فرکانس های طبیعی آن هارمونیک نیست. استثناء تیمپانی است که غشای آن بر روی تشدید کننده هوا کشیده شده است. با تغییر ضخامت غشاء در جهت شعاعی، می‌توان توالی اهنگ‌های درام را هارمونیک کرد. نمونه ای از این طبل است تبلادر موسیقی کلاسیک هند استفاده می شود.

صدا امواجی الاستیک در یک محیط (اغلب در هوا) است که نامرئی است، اما توسط گوش انسان درک می شود (موج پرده گوش را تحت تأثیر قرار می دهد). موج صوتی یک موج فشرده سازی طولی و نادر است.

آیا اگر خلاء ایجاد کنیم، صداها را تشخیص می دهیم؟ رابرت بویل در سال 1660 ساعت را در ظرف شیشه ای قرار داد. بعد از تخلیه هوا صدایی نشنید. تجربه این را ثابت می کند محیط برای انتشار صدا ضروری است.

صدا همچنین می تواند در محیط مایع و جامد پخش شود. ضربه سنگ ها در زیر آب به وضوح شنیده می شود. ساعت را در یک انتهای تخته چوبی قرار دهید. با قرار دادن گوش خود در انتهای دیگر، می توانید صدای تیک تاک ساعت را به وضوح بشنوید.

موج صوتی در درخت منتشر می شود

منبع صدا لزوما اجسام نوسانی هستند. برای مثال سیم گیتار در حالت عادی صدا نمی دهد، اما به محض اینکه آن را مجبور به نوسان می کنیم، یک موج صوتی ایجاد می شود.

با این حال، تجربه نشان می دهد که هر جسم نوسانی منبع صوت نیست. مثلاً وزنه ای که روی نخ آویزان است صدایی تولید نمی کند. واقعیت این است که گوش انسان همه امواج را درک نمی کند، بلکه فقط امواجی را درک می کند که اجسامی را ایجاد می کنند که با فرکانس 16 هرتز تا 20000 هرتز ارتعاش می کنند. چنین امواجی نامیده می شود صدا... نوسانات با فرکانس کمتر از 16 هرتز نامیده می شود مادون صوت... نوسانات با فرکانس بیشتر از 20000 هرتز نامیده می شوند سونوگرافی.

سرعت صدا

امواج صوتی فوراً منتشر نمی شوند، بلکه با سرعت محدود مشخصی (مشابه سرعت حرکت یکنواخت) منتشر می شوند.

به همین دلیل است که هنگام رعد و برق ابتدا رعد و برق را می بینیم، یعنی نور (سرعت نور بسیار بیشتر از سرعت صوت است) و سپس صدا می آید.

سرعت صوت به محیط بستگی دارد: در جامدات و مایعات، سرعت صوت بسیار بیشتر از هوا است. اینها ثابت های اندازه گیری شده جدولی هستند. با افزایش دمای محیط، سرعت صوت افزایش می یابد و با کاهش آن کاهش می یابد.

صداها متفاوت است. برای مشخص کردن صدا، مقادیر ویژه ای معرفی شده است: بلندی، زیر و بمی صدا و تن صدا.

حجم صدا به دامنه ارتعاش بستگی دارد: هر چه دامنه ارتعاش بزرگتر باشد، صدا بلندتر است. علاوه بر این، درک گوش ما از بلندی صدا به فرکانس ارتعاش در موج صوتی بستگی دارد. امواج فرکانس بالاتر به عنوان بلندتر درک می شوند.

فرکانس موج صوتی، زیر و بم را تعیین می کند. هر چه فرکانس ارتعاش منبع صوت بیشتر باشد، صدای بیشتری منتشر می کند. صداهای انسان از نظر بلندی به چندین محدوده تقسیم می شود.

صداها از منابع مختلف مجموعه ای از ارتعاشات هارمونیک فرکانس های مختلف هستند. جزء طولانی ترین دوره (کمترین فرکانس) را گام می نامند. بقیه مولفه های صدا به صورت اورتون هستند. مجموعه این مولفه ها رنگ، تن صدا را ایجاد می کند. مجموعه ای از نوای صدا در افراد مختلف حداقل اندکی است، اما متفاوت است، و این تعیین کننده تن صدای خاص است.

اکو... پژواک در نتیجه انعکاس صدا از موانع مختلف - کوه ها، جنگل ها، دیوارها، ساختمان های بزرگ و غیره شکل می گیرد. پژواک تنها زمانی رخ می دهد که صدای بازتاب شده جدا از صدای تلفظ شده اصلی درک شود. اگر سطوح انعکاسی زیادی وجود داشته باشد و در فواصل متفاوت با یک فرد باشد، امواج صوتی منعکس شده در زمان‌های مختلف به او می‌رسند. در این حالت اکو چندتایی خواهد بود. مانع باید در فاصله 11 متری فرد قرار داشته باشد تا صدای اکو شنیده شود.

انعکاس صدا.صدا از سطوح صاف منعکس می شود. بنابراین، هنگام استفاده از بوق، امواج صوتی در همه جهات پراکنده نمی شوند، بلکه یک پرتو با جهت باریک تشکیل می دهند که به دلیل آن قدرت صدا افزایش می یابد و در فاصله بیشتری پخش می شود.

برخی از حیوانات (به عنوان مثال، خفاش، دلفین) ارتعاشات اولتراسونیک ساطع می کنند، سپس موج منعکس شده را از موانع درک می کنند. بنابراین آنها مکان و فاصله اشیاء اطراف را تعیین می کنند.

اکولوکیشن... این روشی برای تعیین مکان اجسام توسط سیگنال های اولتراسونیک منعکس شده از آنها است. به طور گسترده ای در ناوبری استفاده می شود. در کشتی ها ایجاد سونارها- ابزاری برای تشخیص اجسام زیر آب و تعیین عمق و توپوگرافی کف. یک فرستنده و گیرنده صدا در پایین ظرف قرار داده شده است. امیتر سیگنال های کوتاهی می دهد. با تجزیه و تحلیل زمان تاخیر و جهت سیگنال های برگشتی، کامپیوتر موقعیت و اندازه جسمی را که صدا را منعکس می کند تعیین می کند.

سونوگرافی برای تشخیص و شناسایی انواع آسیب در قطعات ماشین (حفره ها، ترک ها و غیره) استفاده می شود. دستگاه مورد استفاده برای این منظور نامیده می شود تشخیص عیب اولتراسونیک... جریانی از سیگنال‌های اولتراسونیک کوتاه به قسمت مورد مطالعه ارسال می‌شود که از ناهمگونی‌های داخل آن منعکس شده و با بازگشت وارد گیرنده می‌شوند. در مکان هایی که هیچ نقصی وجود ندارد، سیگنال ها بدون انعکاس قابل توجه از قطعه عبور می کنند و توسط گیرنده ضبط نمی شوند.

سونوگرافی به طور گسترده در پزشکی برای تشخیص و درمان برخی بیماری ها استفاده می شود. برخلاف اشعه ایکس، امواج آن بر روی بافت ها اثر مضری ندارد. معاینات سونوگرافی تشخیصی (سونوگرافی)اجازه می دهد بدون مداخله جراحی، تغییرات پاتولوژیک در اندام ها و بافت ها را تشخیص دهد. دستگاه خاصی امواج اولتراسونیک را با فرکانس 0.5 تا 15 مگاهرتز به قسمت خاصی از بدن هدایت می کند، آنها از اندام مورد بررسی منعکس می شوند و کامپیوتر تصویر خود را روی صفحه نمایش می دهد.

مادون صوت با جذب کم در رسانه های مختلف مشخص می شود، در نتیجه امواج مادون صوت در هوا، آب و پوسته زمین می توانند در فواصل بسیار طولانی منتشر شوند. این پدیده کاربرد عملی پیدا می کند یافتنانفجارهای شدید یا موقعیت شلیک سلاح. انتشار امواج فروصوت در فواصل طولانی در دریا این امکان را فراهم می کند پیش بینی بلایای طبیعی- سونامی چتر دریایی، سخت پوستان و غیره قادر به درک زیرصوت هستند و مدت ها قبل از شروع طوفان نزدیک شدن آن را احساس می کنند.

این درس مبحث "امواج صوتی" را پوشش می دهد. در این درس، ما مطالعه خود را در مورد آکوستیک ادامه خواهیم داد. ابتدا تعریف امواج صوتی را تکرار می کنیم سپس محدوده فرکانسی آنها را در نظر می گیریم و با مفهوم امواج فراصوت و مادون صوت آشنا می شویم. ما همچنین خواص ذاتی امواج صوتی در محیط های مختلف را مورد بحث قرار خواهیم داد و خواهیم فهمید که آنها چه ویژگی هایی دارند. .

امواج صوتی -اینها ارتعاشات مکانیکی هستند که با انتشار و تعامل با اندام شنوایی توسط شخص درک می شوند (شکل 1).

برنج. 1. موج صوتی

بخشی که در فیزیک به این امواج می پردازد آکوستیک نام دارد. حرفه افرادی که در عوام به آنها «شایع» می گویند، آکوستیک است. موج صوتی، موجی است که در یک محیط کشسان منتشر می شود، یک موج طولی است، و هنگامی که در یک محیط کشسان منتشر می شود، فشرده سازی و آرامش متناوب می شوند. در طول زمان و در مسافتی منتقل می شود (شکل 2).

برنج. 2. انتشار موج صوتی

امواج صوتی شامل آن دسته از ارتعاشاتی است که با فرکانس 20 تا 20000 هرتز انجام می شود. برای این فرکانس ها، طول موج های مربوطه 17 متر (برای 20 هرتز) و 17 میلی متر (برای 20000 هرتز) است. این محدوده به عنوان صدای قابل شنیدن نامیده می شود. این طول موج ها برای هوا داده می شود که سرعت انتشار صوت در آن است.

همچنین محدوده هایی وجود دارد که آکوستیک با آنها سروکار دارد - مادون صوت و اولتراسونیک. Infrasound آنهایی هستند که فرکانس کمتر از 20 هرتز دارند. و اولتراسونیک آنهایی هستند که فرکانس بیش از 20000 هرتز دارند (شکل 3).

برنج. 3. محدوده امواج صوتی

هر فرد تحصیلکرده ای باید در محدوده فرکانس امواج صوتی حرکت کند و بداند که اگر به سونوگرافی مراجعه کند، تصویر روی صفحه کامپیوتر با فرکانس بیش از 20000 هرتز ساخته می شود.

سونوگرافی -اینها امواج مکانیکی هستند، شبیه امواج صوتی، اما با فرکانس 20 کیلوهرتز تا یک میلیارد هرتز.

امواج با فرکانس بیش از یک میلیارد هرتز نامیده می شوند فراصوت.

سونوگرافی برای تشخیص عیوب در قطعات ریختگی استفاده می شود. جریانی از سیگنال های اولتراسونیک کوتاه به قسمت مورد بررسی هدایت می شود. در مکان هایی که هیچ نقصی وجود ندارد، سیگنال ها بدون ثبت توسط گیرنده از قطعه عبور می کنند.

اگر ترک، حفره هوا یا ناهمگنی دیگری در قطعه وجود داشته باشد، سیگنال اولتراسونیک از آن منعکس می شود و با بازگشت، وارد گیرنده می شود. این روش نامیده می شود تشخیص نقص اولتراسونیک.

نمونه های دیگر از کاربردهای اولتراسوند دستگاه های اولتراسوند، دستگاه های اولتراسوند و سونوگرافی درمانی هستند.

مادون صوت -امواج مکانیکی، شبیه امواج صوتی، اما دارای فرکانس کمتر از 20 هرتز. آنها توسط گوش انسان درک نمی شوند.

منابع طبیعی امواج فروصوت عبارتند از طوفان، سونامی، زلزله، طوفان، فوران آتشفشانی و رعد و برق.

امواج فروصوت نیز یک موج مهم است که برای ارتعاش سطح (مثلاً برای از بین بردن برخی اجسام بزرگ) استفاده می شود. ما امواج مادون صوت را به داخل خاک راه اندازی می کنیم - و خاک خرد می شود. این کجا استفاده می شود؟ به عنوان مثال، در معادن الماس، جایی که سنگ معدنی که در آن اجزای الماس وجود دارد، گرفته می شود و برای یافتن این اجزاء الماس به ذرات کوچک خرد می شود (شکل 4).

برنج. 4. کاربرد مادون صوت

سرعت صوت به شرایط محیطی و دما بستگی دارد (شکل 5).

برنج. 5. سرعت انتشار موج صوتی در رسانه های مختلف

توجه: در هوا، سرعت صوت در است، در، سرعت افزایش می یابد. اگر شما یک محقق هستید، پس این دانش ممکن است برای شما مفید باشد. حتی ممکن است به نوعی سنسور دما بپردازید که با تغییر سرعت صوت در محیط، تفاوت دما را ثبت کند. ما قبلاً می دانیم که هر چه محیط متراکم تر باشد، هر چه تعامل بین ذرات محیط جدی تر باشد، موج سریعتر منتشر می شود. ما در پاراگراف آخر با استفاده از مثال هوای خشک و هوای مرطوب در این مورد بحث کردیم. برای آب، سرعت انتشار صوت. اگر یک موج صوتی ایجاد کنید (به یک چنگال تنظیم ضربه بزنید)، سرعت انتشار آن در آب 4 برابر بیشتر از هوا خواهد بود. اطلاعات با آب 4 برابر سریعتر از هوا حرکت می کند. و حتی سریعتر در فولاد: (شکل 6).

برنج. 6. سرعت انتشار موج صوتی

شما از حماسه هایی که ایلیا مورومتس استفاده کرد (و همه قهرمانان و مردم و پسران معمولی روسی از RVS گایدار) استفاده کرد، از روش بسیار جالبی برای تشخیص شیئی استفاده کرد که در حال نزدیک شدن است، اما هنوز دور است. صدایی که هنگام رانندگی ایجاد می کند هنوز شنیده نمی شود. ایلیا مورومتس که گوشش را به زمین تکیه داده است، می تواند آن را بشنود. چرا؟ زیرا صدا با سرعت بالاتری روی زمین جامد منتقل می شود، یعنی سریعتر به گوش ایلیا مورومتس می رسد و او می تواند برای رویارویی با دشمن آماده شود.

جالب ترین امواج صوتی صداها و نویزهای موسیقی هستند. چه اجسامی می توانند امواج صوتی ایجاد کنند؟ اگر یک منبع موج و یک محیط الاستیک را در نظر بگیریم، اگر منبع صدا را به صورت هماهنگ به ارتعاش دربیاوریم، یک موج صوتی شگفت انگیز خواهیم داشت که به آن صدای موسیقی می گویند. این منابع امواج صوتی می تواند به عنوان مثال سیم های یک گیتار یا پیانوی بزرگ باشد. این می تواند یک موج صوتی باشد که در شکاف یک لوله هوا (ارگان یا لوله) ایجاد می شود. از درس های موسیقی، نت ها را می شناسید: دو، ری، می، فا، سل، لا، سی. در آکوستیک به آنها تن می گویند (شکل 7).

برنج. 7. آهنگ های موسیقی

تمام اشیایی که می توانند تن از خود ساطع کنند ویژگی های خاصی خواهند داشت. تفاوت آنها چگونه است؟ آنها در طول موج و فرکانس متفاوت هستند. اگر این امواج صوتی توسط اجسام صدای ناهماهنگ ایجاد شوند یا به یک قطعه ارکستری مشترک متصل نباشند، به چنین تعدادی از صداها نویز می گویند.

سر و صدا- ارتعاشات تصادفی با ماهیت فیزیکی مختلف که با پیچیدگی ساختار زمانی و طیفی مشخص می شود. مفهوم نویز روزمره است و فیزیکی وجود دارد، بسیار شبیه به هم هستند و به همین دلیل آن را به عنوان یک موضوع مهم جداگانه برای بررسی معرفی می کنیم.

بیایید به تخمین های کمی امواج صوتی برویم. ویژگی های امواج صوتی موسیقی چیست؟ این ویژگی ها منحصراً برای ارتعاشات صوتی هارمونیک اعمال می شود. بنابراین، حجم صدا... چه چیزی حجم صدا را تعیین می کند؟ انتشار یک موج صوتی در زمان یا نوسان یک منبع موج صوتی را در نظر بگیرید (شکل 8).

برنج. 8. حجم صدا

در عین حال، اگر صدای چندانی به سیستم اضافه کنیم (مثلاً یک کلید پیانو را به آرامی بزنیم)، صدای آرامی وجود خواهد داشت. اگر دستمان را با صدای بلند بلند کنیم با زدن کلید این صدا را صدا بزنیم صدای بلندی می گیریم. به چه چیزی بستگی دارد؟ صدای آرام دامنه ارتعاش کمتری نسبت به صدای بلند دارد.

ویژگی مهم بعدی صدای موسیقی و هر چیز دیگری است ارتفاع... زیر و بمی صدا به چه چیزی بستگی دارد؟ گام به فرکانس بستگی دارد. می‌توانیم منبع را اغلب نوسان کنیم، یا می‌توانیم آن را به سرعت نوسان نکنیم (یعنی نوسانات کمتری در واحد زمان انجام دهیم). حرکت زمانی صدای کم و زیاد با دامنه یکسان را در نظر بگیرید (شکل 9).

برنج. 9. زیر و بمی صدا

نتیجه جالبی می توان گرفت. اگر فردی با صدای بم آواز بخواند، منبع صدای او (اینها تارهای صوتی هستند) چندین برابر آهسته تر از فردی که سوپرانو می خواند، نوسان می کند. در حالت دوم، تارهای صوتی بیشتر مرتعش می شوند، بنابراین، اغلب باعث ایجاد کانون های فشرده سازی و خلاء در انتشار موج می شوند.

ویژگی جالب دیگری برای امواج صوتی وجود دارد که فیزیکدانان آن را مطالعه نمی کنند. این تن صدا... همان قطعه موسیقی را که بر روی بالالایکا یا ویولن سل اجرا می شود، می شناسید و به راحتی تشخیص می دهید. تفاوت این صداها چیست یا این اجراست؟ در ابتدای آزمایش، از افرادی که صداها را استخراج می‌کنند، خواستیم که آنها را با دامنه تقریباً یکسانی بسازند تا حجم صدا یکسان باشد. مانند ارکستر: اگر نیازی به انتخاب ساز نداشته باشید، همه تقریباً یکسان و با همان قدرت می نوازند. بنابراین صدای بالالایکا و ویولن سل متفاوت است. اگر بخواهیم صدایی را که از یک ساز، از ساز دیگر استخراج می‌شود، با استفاده از نمودارها ترسیم کنیم، آنها یکسان می‌شوند. اما به راحتی می توانید این سازها را با صدایشان تشخیص دهید.

مثال دیگری از اهمیت تامبر. دو خواننده را تصور کنید که از یک کالج موسیقی با یک معلم فارغ التحصیل می شوند. آنها برای نمرات به همان اندازه خوب مطالعه کردند. به دلایلی، یکی به یک مجری برجسته تبدیل می شود، در حالی که دیگری در تمام زندگی خود از حرفه خود ناراضی است. در واقع، این به طور انحصاری توسط ساز آنها تعیین می شود، که باعث ایجاد ارتعاشات صوتی در محیط می شود، یعنی صدای آنها از نظر تایم متفاوت است.

کتابشناسی - فهرست کتب

1. سوکولوویچ یو.آ.، بوگدانوا جی.اس. فیزیک: کتاب راهنما با مثال هایی از حل مسئله. - نسخه دوم توزیع مجدد. - X .: وستا: انتشارات رانک، 1384. - 464 ص.
2. Peryshkin A.V.، Gutnik E.M.، فیزیک. پایه نهم: کتاب درسی آموزش عمومی. مؤسسات / A.V. پریشکین، ای.ام. گوتنیک. - چاپ چهاردهم، کلیشه. - M .: Bustard, 2009 .-- 300 p.

1. پورتال اینترنتی "eduspb.com" ()
2. پورتال اینترنتی "msk.edu.ua" ()
3. پورتال اینترنتی "class-fizika.narod.ru" ()

مشق شب

1. صدا چگونه منتشر می شود؟ منبع صدا چی میتونه باشه؟
2. آیا صدا در فضا پخش می شود؟
3. آیا هر موجی که به اندام شنوایی انسان می رسد با آن درک می شود؟

یک حس خاص که توسط ما به عنوان صدا درک می شود، نتیجه حرکت ارتعاشی یک محیط الاستیک - اغلب هوا - بر روی سیستم شنوایی انسان است. نوسانات محیط توسط یک منبع صوتی برانگیخته می شود و با انتشار در محیط به دستگاه گیرنده - گوش ما می رسد. بنابراین، تنوع نامحدود صداهایی که می شنویم ناشی از فرآیندهای نوسانی است که از نظر فرکانس و دامنه با یکدیگر متفاوت هستند. دو طرف یک پدیده را نباید اشتباه گرفت: صدا به عنوان یک فرآیند فیزیکی مورد خاصی از حرکت نوسانی است. صدا به عنوان یک پدیده روانی-فیزیولوژیکی، احساس خاصی است که مکانیسم وقوع آن در زمان حاضر به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است.

در مورد جنبه فیزیکی این پدیده صحبت می کنیم، ما صدا را با شدت (قدرت)، ترکیب آن و فرکانس فرآیندهای نوسانی مرتبط با آن مشخص می کنیم. با در نظر گرفتن احساسات صدا، ما در مورد بلندی صدا، صدا و زیر و بمی صحبت می کنیم.

در جامدات، صوت می تواند هم به صورت ارتعاشات طولی و هم به صورت عرضی منتشر شود. از آنجایی که مایعات و گازها خاصیت ارتجاعی برشی ندارند، بدیهی است که صدا در محیط های گازی و مایع تنها به صورت ارتعاشات طولی می تواند منتشر شود. در گازها و مایعات، امواج صوتی متناوب ضخیم شدن و کمیاب شدن محیط هستند و با سرعت مشخصی که مشخصه هر محیط است از منبع صدا دور می شوند. سطح موج صوتی موقعیت هندسی ذرات محیط است که فاز نوسان یکسانی دارند. برای مثال می توان سطوح امواج صوتی را به گونه ای ترسیم کرد که بین سطوح امواج مجاور یک لایه ضخیم کننده و یک لایه نادر وجود داشته باشد. جهت عمود بر سطح موج را پرتو می گویند.

از امواج صوتی در محیط گازی می توان عکس گرفت. برای این منظور پشت منبع صدا قرار دهید

یک صفحه عکاسی، که یک پرتو نور از یک جرقه الکتریکی از جلو به سمت آن هدایت می شود، به طوری که این پرتوهای یک فلاش فوری نور روی صفحه عکاسی می افتند و از هوای اطراف منبع صدا عبور می کنند. در شکل 158-160 عکس های امواج صوتی به دست آمده با این روش را نشان می دهد. منبع صدا توسط یک صفحه نمایش کوچک روی پایه از صفحه عکاسی جدا می شد.

در شکل 158، اما می توان دید که موج صوتی به تازگی از پشت صفحه بیرون آمده است. در شکل 158، ب، همان موج برای بار دوم بعد از چند هزارم ثانیه فیلمبرداری شد. در این حالت سطح موج یک کره است. در عکس، تصویر موج به صورت دایره ای به دست می آید که شعاع آن به مرور زمان افزایش می یابد.

برنج. 158. عکس موج صوتی در دو زمان (الف و ب). انعکاس موج صوتی (ج).

در شکل 158، c عکسی از یک موج صوتی کروی منعکس شده از یک دیوار صاف را نشان می دهد. در اینجا باید به این نکته توجه کنید که قسمت منعکس شده موج، همانطور که بود، از نقطه ای می آید که در پشت سطح بازتابنده در همان فاصله از سطح بازتاب دهنده منبع صدا قرار دارد. به خوبی شناخته شده است که پدیده انعکاس امواج صوتی توسط اکو توضیح داده می شود.

در شکل شکل 159 تغییر سطح موج را در هنگام عبور موج صوتی از کیسه عدسی شکل پر از هیدروژن نشان می دهد. این تغییر در سطح موج صوتی نتیجه شکست (انکسار) پرتوهای صوتی است: در سطح مشترک بین دو رسانه، جایی که سرعت موج متفاوت است، جهت انتشار موج تغییر می کند.

برنج. 160 عکسی از امواج صوتی را با صفحه نمایش چهار شکاف در مسیر انتشار بازتولید می کند. با عبور از شکاف ها، امواج در اطراف صفحه نمایش خم می شوند. این پدیده خم شدن توسط امواج موانع برخورد شده را پراش می نامند.

قوانین انتشار، انعکاس، شکست و پراش امواج صوتی را می توان از اصل هویگنس استنباط کرد که طبق آن هر ذره وارد ارتعاش می شود.

محیط را می توان به عنوان یک مرکز (منبع) جدید امواج در نظر گرفت. تداخل همه این امواج موج واقعی قابل مشاهده را به دست می دهد (روش های اعمال اصل هویگنس در جلد سوم به عنوان مثال امواج نور توضیح داده خواهد شد).

امواج صوتی مقدار مشخصی حرکت را با خود حمل می کنند و در نتیجه به موانعی که با آن برخورد می کنند فشار وارد می کنند.

برنج. 159. شکست موج صوتی.

برنج. 160. پراش امواج صوتی.

برای روشن شدن این حقیقت، اجازه دهید به شکل. 161. در این شکل نقطه چین سینوسی جابجایی ذرات محیط را در لحظه معینی از زمان انتشار امواج طولی در محیط نشان می دهد. سرعت این ذرات در لحظه در نظر گرفته شده از زمان توسط کسینوس، یا همان چیزی است که توسط سینوسی جلوتر از سینوسی جابجایی های یک چهارم دوره (در شکل 161 - خط جامد) نشان داده می شود. به راحتی می توان فهمید که ضخیم شدن محیط در جایی مشاهده می شود که در یک لحظه معین جابجایی ذرات برابر با صفر یا نزدیک به صفر باشد و در جایی که سرعت در جهت انتشار موج باشد. برعکس، در جایی که جابجایی ذرات نیز برابر با صفر یا نزدیک به صفر است، اما در جایی که سرعت ذرات در جهت مخالف انتشار امواج باشد، نادر شدن محیط مشاهده خواهد شد. بنابراین، در تراکم، ذرات به جلو حرکت می کنند، در نادری - به عقب. ولی در

برنج. 161. در غلیظ شدن موج صوتی عبوری، ذرات به جلو حرکت می کنند.

لایه های ضخیم شده حاوی تعداد بیشتری از ذرات نسبت به لایه های کمیاب هستند. بنابراین، در هر لحظه از زمان در حرکت امواج صوتی طولی، تعداد ذرات در حال حرکت به سمت جلو کمی بیشتر از تعداد ذرات در حال حرکت به سمت عقب است. در نتیجه، موج صوتی مقدار مشخصی حرکت را با خود حمل می کند که در فشاری که امواج صوتی بر موانعی که با آنها برخورد می کنند، ظاهر می شود.

فشار صوت به طور تجربی توسط ریلی و پتر نیکولاویچ لبدف مورد بررسی قرار گرفت.

از نظر تئوری، سرعت صوت با فرمول لاپلاس [§ 65، فرمول (5)] تعیین می شود:

که در آن K مدول الاستیسیته همه جانبه (زمانی که فشرده سازی بدون هجوم و آزاد شدن گرما انجام می شود)، چگالی است.

اگر بدن در حالی که دمای بدن ثابت است فشرده شود، مقادیر مدول الاستیک کمتر از حالتی است که فشرده سازی بدون هجوم و انتشار گرما انجام می شود. این دو مقدار مدول الاستیسیته همه جانبه، همانطور که در ترمودینامیک ثابت شده است، به همان طریقی که ظرفیت گرمایی یک جسم در فشار ثابت با ظرفیت گرمایی یک جسم در حجم ثابت مرتبط است.

برای گازها (نه خیلی فشرده) مدول الاستیسیته همدما به سادگی برابر با فشار گاز است، اگر بدون تغییر دمای گاز، گاز را چند برابر فشرده کنیم (چگالی آن را افزایش دهیم)، فشار گاز چند برابر افزایش می یابد. در نتیجه، طبق فرمول لاپلاس، معلوم می شود که سرعت صوت در گاز به چگالی گاز بستگی ندارد.

از قوانین گاز و فرمول لاپلاس می توان نتیجه گرفت (§ 134) که سرعت صوت در گازها با جذر دمای مطلق گاز متناسب است:

جایی که شتاب گرانش است، نسبت ظرفیت های دما ثابت گاز جهانی است.

در دمای C سرعت صوت در هوای خشک در دمای متوسط ​​و رطوبت متوسط ​​برابر است، سرعت صوت در هوا برابر با سرعت صوت در هیدروژن در برابر است.

در آب، سرعت صوت در شیشه در آهن است

لازم به ذکر است که امواج ضربه ای صوتی ناشی از شلیک یا انفجار، در ابتدای مسیر خود دارای سرعت هستند.

به طور قابل توجهی از سرعت نرمال صوت در یک محیط معین فراتر می رود. موج صوتی ضربه ای در هوا، ناشی از یک انفجار قوی، می تواند سرعتی در نزدیکی منبع صوت داشته باشد که چندین برابر سرعت معمولی صوت در هوا باشد، اما در حال حاضر در فاصله ده ها متری از محل انفجار، سرعت انتشار موج به مقدار نرمال کاهش می یابد.

همانطور که قبلاً در § 65 ذکر شد، امواج صوتی با طول های مختلف عملاً سرعت یکسانی دارند. استثناها آن دسته از محدوده‌های فرکانسی هستند که میرایی سریع امواج الاستیک در طول انتشار آنها در محیط مورد بررسی مشخص است. به طور معمول، این فرکانس ها بسیار فراتر از محدوده شنوایی قرار دارند (برای گازهای تحت فشار اتمسفر، این فرکانس ها به ترتیب ارتعاش در ثانیه هستند). تجزیه و تحلیل نظری نشان می‌دهد که پراکندگی و جذب امواج صوتی با این واقعیت مرتبط است که توزیع مجدد انرژی بین حرکات انتقالی و ارتعاشی مولکول‌ها زمان می‌برد، هرچند کم. این منجر به این واقعیت می شود که امواج بلند (امواج محدوده صدا) تا حدودی کندتر از امواج بسیار کوتاه "نامفهوم" حرکت می کنند. بنابراین، در بخار دی اکسید کربن در فشار و فشار اتمسفر، صدا دارای سرعت است، در حالی که امواج بسیار کوتاه و "نامفهوم" با سرعت منتشر می شوند.

یک موج صوتی که در یک رسانه منتشر می شود، بسته به اندازه و شکل منبع صدا می تواند شکل متفاوتی داشته باشد. در جالب‌ترین موارد از نظر فنی، منبع صدا (امیتر) نوعی سطح ارتعاشی است، مثلاً غشای تلفن یا پخش‌کننده بلندگو. اگر چنین منبع صوتی امواج صوتی را در فضای باز منتشر کند، شکل موج اساساً به ابعاد نسبی ساطع کننده بستگی دارد. ساطع کننده که ابعاد آن در مقایسه با طول موج صوتی بزرگ است، تنها در یک جهت، یعنی در جهت حرکت نوسانی خود، انرژی صوتی ساطع می کند. در مقابل، یک رادیاتور با اندازه کوچک در مقایسه با طول موج، انرژی صوتی را در همه جهات ساطع می کند. شکل جبهه موج در هر دو مورد بدیهی است که متفاوت خواهد بود.

اجازه دهید ابتدا مورد اول را در نظر بگیریم. یک سطح صاف سفت و سخت به اندازه کافی بزرگ (در مقایسه با طول موج) را تصور کنید که حرکات نوسانی را در جهت طبیعی خود انجام می دهد. با حرکت رو به جلو، چنین سطحی ضخیم شدنی در جلوی خود ایجاد می کند که به دلیل خاصیت ارتجاعی محیط، در جهت جابجایی قطره چکان منتشر می شود. با حرکت به عقب، امیتر یک نادری ایجاد می کند که پس از ضخیم شدن اولیه در محیط حرکت می کند. برای یک نوسان کوتاه مدت امیتر، در دو طرف آن یک موج صوتی مشاهده خواهیم کرد که مشخصه آن این است که تمام ذرات محیط که در فاصله مساوی از سطح تابش قرار دارند چگالی متوسط ​​محیط و سرعت صوت با:

حاصلضرب چگالی متوسط ​​محیط و سرعت صوت را مقاومت آکوستیک محیط می نامند.

مقاومت آکوستیک در 20 درجه سانتیگراد

(به اسکن مراجعه کنید)

حال اجازه دهید مورد امواج کروی را در نظر بگیریم. هنگامی که اندازه سطح ساطع کننده در مقایسه با طول موج کوچک می شود، جبهه موج به طور محسوسی خمیده می شود. این به این دلیل است که انرژی ارتعاشی در تمام جهات از امیتر منتشر می شود.

این پدیده را می توان با مثال ساده زیر به بهترین وجه درک کرد. بیایید تصور کنیم که یک کنده بلند روی سطح آب افتاده است. امواج حاصل در ردیف های موازی در دو طرف سیاهه حرکت می کنند. زمانی که یک سنگ کوچک در آب پرتاب می شود و امواج به صورت دایره های متحدالمرکز منتشر می شوند، وضعیت متفاوت است. لاگ نسبتا بزرگ است

با طول موج در سطح آب؛ ردیف های موازی امواجی که از آن می آیند مدلی بصری از امواج صفحه را نشان می دهند. اندازه سنگ کوچک است. دایره هایی که از محل سقوط آن جدا می شوند مدلی از امواج کروی را به ما می دهند. هنگامی که یک موج کروی منتشر می شود، سطح جبهه موج به نسبت مربع شعاع آن افزایش می یابد. در یک توان ثابت منبع صوت، انرژی که از هر سانتی متر مربع از سطح کروی شعاع جریان می یابد، نسبت معکوس دارد. از آنجایی که انرژی ارتعاش متناسب با مربع دامنه است، واضح است که دامنه نوسانات در یک موج کروی باید به عنوان متقابل توان اول فاصله از منبع صدا کاهش یابد. بنابراین معادله یک موج کروی به شکل زیر است: