محتوای مقاله

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

امواج صوتی

یک لوله بلند پر از هوا را در نظر بگیرید. پیستونی که محکم به دیواره ها می چسبد از سمت چپ در آن قرار می گیرد (شکل 1). اگر پیستون به شدت به سمت راست حرکت کند و متوقف شود، هوای نزدیک به آن برای لحظه ای فشرده می شود (شکل 1، آ). سپس هوای فشردهمنبسط می شود و هوای مجاور آن را به سمت راست هل می دهد و ناحیه تراکم که در ابتدا در نزدیکی پیستون ظاهر می شد با سرعت ثابت در طول لوله حرکت می کند (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 آنها مشخص می شود. برای امواج صوتی، این انحرافات از مقادیر تعادلی همیشه کوچک هستند. بنابراین، فشار اضافی مرتبط با موج بسیار کمتر از فشار ساکن گاز است. در غیر این صورت، ما با پدیده دیگری روبرو هستیم - یک موج شوک. در موج صوتی مربوط به گفتار معمولی، فشار اضافی تنها حدود یک میلیونم فشار اتمسفر است.

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

حرکت موج البته منحصر به صدا نیست: نور و سیگنال های رادیویی به شکل امواج حرکت می کنند و همه با امواج روی سطح آب آشنا هستند. همه انواع امواج به طور ریاضی با معادله موج توصیف می شوند.

امواج هارمونیک

موج در لوله در شکل. 1 پالس صدا نامیده می شود. خیلی نوع مهمهنگامی که پیستون مانند وزنه ای که از فنر آویزان است به سمت جلو و عقب نوسان می کند، امواج برانگیخته می شوند. این گونه نوسانات هارمونیک ساده یا سینوسی نامیده می شود و موج برانگیخته شده در این حالت هارمونیک نامیده می شود.

با نوسانات 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. اجازه دهید دوره را با علامت گذاری کنیم تی، و فرکانس - از طریق f; سپس می توانیم آن را بنویسیم f= 1/تی.به عنوان مثال، اگر فرکانس 50 سیکل در ثانیه (50 هرتز) باشد، آنگاه دوره 1/50 ثانیه است.

از نظر ریاضی، نوسانات هارمونیک ساده با یک تابع ساده توصیف می شوند. جابجایی پیستون در طول نوسانات هارمونیک ساده برای هر لحظه از زمان تیرا می توان در قالب نوشت

اینجا د -جابجایی پیستون از وضعیت تعادل و D– عامل ثابت که برابر است با حداکثر مقدارمقادیر دو دامنه جابجایی نامیده می شود.

فرض کنید پیستون طبق فرمول نوسانات هارمونیک نوسان می کند. سپس، هنگامی که به سمت راست حرکت می کند، مانند قبل فشرده سازی رخ می دهد و هنگامی که به سمت چپ حرکت می کند، فشار و چگالی نسبت به مقادیر تعادلی خود کاهش می یابد. آنچه رخ می دهد فشرده سازی نیست، بلکه کمیاب شدن گاز است. 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 مانند یک سینوسی به نظر می رسد و این سینوسی با سرعت صوت به سمت راست حرکت می کند. v. فاصله در امتداد لوله بین فازهای موج یکسان (به عنوان مثال، بین حداکثر مجاور) طول موج نامیده می شود. معمولاً با حرف یونانی نشان داده می شود ل(لامبدا). طول موج لمسافت طی شده توسط موج در زمان است تی. از همین رو ل = تلویزیون، یا v = l f.

امواج طولی و عرضی.

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

مهمترین تفاوت بین این دو نوع موج این است که یک موج عرضی دارای خاصیت است قطبی شدن(نوسانات در یک صفحه خاص رخ می دهد)، اما نوسانات طولی اینطور نیست. در برخی 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 نوسانات موج متناظر با انتشار می یابند در سرعت های مختلف.

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

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.

یک میله بلند را می توان با نیرویی که به انتهای آن وارد می شود کشیده یا فشرده کرد. بگذارید طول میله باشد L،نیروی کششی اعمال شده - اف، و افزایش طول D است L. ارزش L/Lتغییر شکل نسبی می نامیم 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، مشخص کننده مواد میله است. مدول یانگ برای موادی که به راحتی قابل کشش هستند، مانند لاستیک، کوچک و برای مواد سفت و سخت، مانند فولاد، بزرگ است.

اگر اکنون با ضربه چکش به انتهای میله موج فشاری را در آن تحریک کنیم، 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. 1.

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
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 حرکت سطح جانبی میله با فشرده سازی همراه است (شکل 3، آ).

دو نوع دیگر از امواج نیز در میله امکان پذیر است - یک موج خمشی (شکل 3، ب) و 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 کاملا عرضی می دهد.

سرعت موج خمشی در میله به طول موج بستگی دارد. چنین موجی "پراکنده" نامیده می شود.

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

جایی که متر- مدول برشی، مشخص کننده خواص کشسانی مواد با توجه به برش. برخی از سرعت های معمولی موج برشی در جدول آورده شده است. 1.

سرعت در محیط جامد توسعه یافته

در محیط جامد با حجم زیاد، که در آن تأثیر مرزها می تواند نادیده گرفته شود، امواج الاستیک از دو نوع امکان پذیر است: طولی و عرضی.

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

سرعت امواج طولی در مواد جامد با استفاده از

جایی که C L -مدول الاستیسیته برای کرنش صفحه ساده مربوط به مدول توده ای است که در(تعریف آن در زیر آمده است) و مدول برشی m ماده توسط رابطه سی ال = ب + 4/3مترروی میز جدول 1 مقادیر سرعت موج طولی را برای مواد جامد مختلف نشان می دهد.

سرعت امواج برشی در محیط جامد گسترده با سرعت امواج پیچشی در میله ای از همان ماده برابر است. بنابراین با عبارت داده می شود. مقادیر آن برای مواد جامد معمولی در جدول آورده شده است. 1.

سرعت در گازها

در گازها فقط یک نوع تغییر شکل ممکن است: فشرده سازی - کمیاب شدن. مدول الاستیسیته مربوطه که درمدول حجیم نامیده می شود. با رابطه تعیین می شود

-D پ = ب(D V/V).

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

اندازه که دربستگی 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. ثابت شده است 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، مایع بسیار کمتر از گاز قابل تراکم است، و بنابراین مقدار آن چندین برابر بزرگتر است که در، بیشتر و تراکم r. سرعت صوت در مایعات به سرعت در جامدات نزدیکتر از گازها است. نسبت به گازها بسیار کمتر است و به دما بستگی دارد. به عنوان مثال، سرعت در آب شیرین 1460 متر بر ثانیه در 15.6 درجه سانتیگراد است. آب دریاشوری نرمال در همان دما 1504 متر بر ثانیه است. سرعت صوت با افزایش دمای آب و غلظت نمک افزایش می یابد.

امواج ایستاده

هنگامی که یک موج هارمونیک برانگیخته می شود فضای محدود، به طوری که از مرزها منعکس می شود، به اصطلاح امواج ایستاده به وجود می آیند. موج ایستاده حاصل برهم نهی دو موج است که یکی در جهت جلو و دیگری در جهت مخالف حرکت می کند. الگویی از نوسانات، بدون حرکت در فضا، با پادگره ها و گره های متناوب ظاهر می شود. در پادگره ها، انحراف ذرات در حال نوسان از موقعیت تعادل آنها حداکثر و در گره ها صفر است.

امواج ایستاده در یک رشته.

امواج عرضی در یک رشته کشیده به وجود می آیند و رشته نسبت به موقعیت اصلی و مستقیم خود جابجا می شود. هنگام عکاسی از امواج در یک رشته، گره ها و پادگره های تون و تون های اصلی به وضوح قابل مشاهده هستند.

تصویر امواج ایستاده تجزیه و تحلیل را بسیار تسهیل می کند حرکات نوسانیرشته هایی با طول مشخص بگذارید یک رشته طولی وجود داشته باشد L، در 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، تنها چنین امواج ایستاده ای امکان پذیر است که گره هایی در نقاط مرزی داشته باشند. کمترین فرکانس ارتعاش 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 رشته است. فرکانس متناظر آن، که فرکانس بنیادی یا تن بنیادی نامیده می شود، توسط داده می شود f = v/2L، جایی که v- سرعت انتشار موج در طول رشته

یک توالی کامل از نوسانات فرکانس های بالاتر وجود دارد که مربوط به امواج ایستاده با تعداد بیشتری گره است. فرکانس بالاتر بعدی که به آن هارمونیک دوم یا تون اول گفته 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 های طبیعی ارتعاشات ریسمان آنها متناسب با اعداد سری طبیعی افزایش می یابند: هارمونیک های بالاتر در 2، 3، 4... و غیره. برابر فرکانس ارتعاش اساسی به این سری از صداها مقیاس طبیعی یا هارمونیک می گویند.

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

سرعت امواج در رشته برابر است با

جایی که تی -کشش رشته، و r L -جرم در واحد طول رشته بنابراین، طیف فرکانس طبیعی رشته با استفاده از

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

امواج ایستاده در لوله های اندام.

تئوری ارائه شده در رابطه با یک ریسمان را می توان برای ارتعاشات هوا در یک لوله مانند یک اندام نیز به کار برد. یک لوله ارگان را می توان به طور ساده به عنوان یک لوله مستقیم که در آن امواج ایستاده برانگیخته می شود نگریست. لوله می تواند هر دو انتهای بسته و باز داشته باشد. یک آنتی گره موج ایستاده در انتهای باز و یک گره در انتهای بسته ظاهر می شود. بنابراین، لوله ای با دو سر باز دارای فرکانس اساسی است به طوری که 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 یک رشته است: اهنگ ها دو برابر، سه برابر و غیره می شوند. مقدار فرکانس بنیادی با این حال، برای لوله ای که در یک انتها باز است، اورتون ها با فاکتورهای 3، 5، 7 و غیره بیشتر از فرکانس اصلی خواهد بود. یک بار.

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

نوسانات رزونانسی.

امواج ایستاده ارتباط تنگاتنگی با پدیده رزونانس دارند. فرکانس‌های طبیعی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، فرکانس‌های تشدید یک رشته یا لوله ارگان هستند. فرض کنید در نزدیکی انتهای باز یک لوله ارگان یک بلندگو قرار داده شده است که سیگنالی با یک فرکانس خاص منتشر می کند که می تواند به دلخواه تغییر کند. سپس، زمانی که فرکانس سیگنال بلندگو با فرکانس اصلی لوله یا یکی از نوای آن مطابقت داشته باشد، صدای لوله بسیار بلند خواهد بود. این به این دلیل اتفاق می افتد 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 کسی بود که از آن (در نظریه گرما) استفاده کرد، آنالیز فوریه نامیده می شود.

نمودار انرژی نسبی ارتعاشات صوت در مقابل فرکانس، طیف فرکانسی صدا نامیده می شود. دو نوع اصلی از این طیف وجود دارد: گسسته و پیوسته. طیف گسسته شامل خطوط جداگانهبرای فرکانس های جدا شده توسط فضاهای خالی. یک طیف پیوسته شامل تمام فرکانس ها در باند خود است.

ارتعاشات صوتی دوره ای

ارتعاشات صدا در صورتی دوره ای هستند که فرآیند نوسانی، 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 نوسانات مستطیلی است (شکل 6، آ) با تغییر دامنه از +Aقبل از - آو دوره T= 1/f. مثال ساده دیگر، موج دندانه اره مثلثی است که در شکل 1 نشان داده شده است. 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 هستند نوسانات دوره ایو بنابراین شامل هارمونیک ها (تنها) است. قبلاً دیده‌ایم که در یک رشته، همراه با ارتعاشات 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 تعیین می شود تن صداصدای موسیقی این مسائل در بخش آکوستیک موسیقی در زیر با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار گرفته است.

طیف یک پالس صوتی.

نوع معمول صدا، صدای کوتاه مدت است: دست زدن، ضربه زدن به در، صدای افتادن شی روی زمین، فاخته فاخته. چنین صداهایی نه دوره ای هستند و نه موسیقایی. اما آنها همچنین می توانند به یک طیف فرکانسی تجزیه شوند. در این حالت، طیف پیوسته خواهد بود: برای توصیف صدا، تمام فرکانس‌های درون یک باند خاص، که می‌تواند بسیار وسیع باشد، مورد نیاز است. دانستن چنین طیف فرکانسی برای بازتولید چنین صداهایی بدون اعوجاج ضروری است، زیرا مربوطه است سیستم الکترونیکیباید تمام این فرکانس ها را به یک اندازه خوب "گذراند".

ویژگی های اصلی یک پالس صدا را می توان با در نظر گرفتن یک پالس ساده روشن کرد. فرض کنید صدا ارتعاشی با مدت زمان D است تی، که در آن تغییر فشار مطابق شکل نشان داده شده است. 8، آ. یک طیف فرکانس تقریبی برای این مورد در شکل نشان داده شده است. 8، ب. فرکانس مرکزی مربوط به نوساناتی است که اگر همان سیگنال به طور نامحدود گسترش یابد، خواهیم داشت.

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

D f D تی"1.

این رابطه برای تمام پالس های صوتی معتبر است. معنی آن این است که هرچه پالس کوتاه تر باشد، فرکانس های بیشتری در آن وجود دارد. بیایید فرض کنیم که از یک سونار برای تشخیص یک زیردریایی استفاده می شود که امواج اولتراسوند را به شکل یک پالس به مدت 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 قرار دارند.

سر و صدا.

نویز به هر صدایی اطلاق می شود که توسط منابع متعدد و متناقض ایجاد می شود. به عنوان مثال صدای وزش برگ درختان توسط باد است. صدای موتور جت ناشی از تلاطم جریان اگزوز با سرعت بالا است. نویز به عنوان صدایی تحریک کننده در هنر در نظر گرفته شده است. آلودگی صوتی محیط.

شدت صدا.

میزان صدا ممکن است متفاوت باشد. تصور اینکه این به خاطر انرژی منتقل شده توسط موج صوتی است دشوار نیست. برای مقایسه کمی بلندی صدا، باید مفهوم شدت صدا را معرفی کنید. شدت موج صوتی به عنوان میانگین جریان انرژی از طریق واحد سطح جبهه موج در واحد زمان تعریف می شود. به عبارت دیگر، اگر یک ناحیه (مثلاً 1 سانتی‌متر مربع) را که کاملاً صدا را جذب می‌کند، بگیرید و آن را عمود بر جهت انتشار موج قرار دهید، شدت صدا برابر با انرژی صوتی جذب شده در یک ثانیه است. شدت معمولاً بر حسب W/cm2 (یا W/m2) بیان می شود.

اجازه دهید مقدار این کمیت را برای برخی صداهای آشنا بیان کنیم. دامنه فشار اضافی که در طول مکالمه معمولی رخ می دهد تقریباً یک میلیونیم فشار اتمسفر است که با شدت صدای آکوستیک حدود 10 تا 9 وات بر سانتی متر مربع مطابقت دارد. مجموع قدرت صدای تولید 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 صدا که توسط گوش ما درک می شود بسیار گسترده است. شدت بلندترین صدایی که گوش می تواند تحمل کند تقریباً 10 14 برابر بیشتر از حداقل صدایی است که می تواند بشنود. قدرت کامل منابع صوتی به همان اندازه محدوده وسیعی را پوشش می دهد. بنابراین، توان ساطع شده توسط یک زمزمه بسیار آرام می تواند حدود 10 تا 9 وات باشد، در حالی که توان ساطع شده توسط یک موتور جت به 10 تا 5 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 مقدار لگاریتمی در نظر بگیرید و آن را در دسی بل اندازه گیری کنید. مقدار شدت لگاریتمی لگاریتمی 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، صدایی که 20 دسی بل شدت بیشتری نسبت به صدای دیگر دارد، 100 برابر شدت بیشتری دارد.

در عمل اندازه گیری های صوتیمرسوم است که شدت صدا را از طریق دامنه فشار اضافی مربوطه بیان می کنند R e. وقتی فشار در دسی بل نسبت به فشار انتخاب شده دلخواه اندازه گیری می شود آر 0، به اصطلاح سطح فشار صدا به دست می آید. از آنجایی که شدت صوت متناسب با قدر 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 شرطی آر 0 = 2H 10 –5 Pa مربوط به آستانه شنوایی استاندارد برای صدای با فرکانس 1 کیلوهرتز است. روی میز جدول 2 سطوح فشار صدا را برای برخی از منابع صوتی رایج نشان می دهد. این مقادیر یکپارچه هستند که با میانگین گیری در کل محدوده فرکانس قابل شنیدن به دست می آیند.

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

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.

حجم 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 تعیین کنید که در آن یک صدای داده شده به همان اندازه بلندتر از صدای استاندارد با فرکانس 1000 هرتز درک می شود. در شکل شکل 9 منحنی های بلندی صدای برابر را نشان می دهد که در آزمایشات فلچر و منسون به دست آمده است. برای هر منحنی، سطح فشار صوتی متناظر با صدای استاندارد 1000 هرتز نشان داده شده است. به عنوان مثال، آهنگی با فرکانس 200 هرتز به سطح صدای 60 دسی بل نیاز دارد تا به همان اندازه صدای 1000 هرتز با سطح فشار صوتی 50 دسی بل بلند باشد.

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

منحنی پایین در شکل. 9 منحنی آستانه شنوایی یک گوش خوب است. محدوده فرکانس های شنیداری تقریباً بین 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 توسط یک جبهه موج راحت است. جبهه موج سطحی در فضا است که در تمام نقاط آن نوسانات در یک فاز اتفاق می افتد. جبهه موج از سنگریزه ای که در آب می افتد دایره است.

امواج مسطح

ساده ترین نوع جبهه موج تخت است. یک موج صفحه تنها در یک جهت حرکت می کند 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 در نظر گرفت، درست مانند یک موج کروی در فاصله زیادی از منبع.

امواج کروی.

به انواع سادهامواج را همچنین می توان موجی با جبهه کروی در نظر گرفت که از یک نقطه سرچشمه می گیرد و در همه جهات منتشر می شود. چنین موجی را می توان با استفاده از یک کره کوچک ضربان دار برانگیخت. منبعی که یک موج کروی را تحریک می کند، منبع نقطه ای نامیده می شود. شدت چنین موجی با انتشار کاهش می یابد، زیرا انرژی در کره ای با شعاع بزرگتر توزیع می شود.

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

جی = س/r 2 ,

جایی که r- فاصله از منبع بنابراین، شدت یک 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 فهمیدن، بیایید شکل جبهه موجی را که در هر نقطه از زمان برای ما شناخته شده است، در نظر بگیریم. حتی بعد از زمان D هم 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 تا فاصله ای منتشر شده است. v D تی. پوشش تمام این جبهه های اولیه کروی موج، جبهه موج جدید خواهد بود. اصل هویگنز اجازه می دهد تا شکل جبهه موج در طول فرآیند انتشار تعیین شود. همچنین از آن نتیجه می شود که امواج، چه صفحه و چه کروی، هندسه خود را در حین انتشار حفظ می کنند، مشروط بر اینکه محیط همگن باشد.

پراش صدا.

پراش خم شدن امواج به دور یک مانع است. پراش با استفاده از اصل هویگنس تجزیه و تحلیل می شود. میزان این خمش به رابطه بین طول موج و اندازه مانع یا سوراخ بستگی دارد. از آنجایی که طول موج صدا چندین برابر نور است، پراش امواج صوتی برای ما کمتر از پراش نور تعجب آور است. بنابراین، می توانید با کسی که در گوشه ساختمان ایستاده صحبت کنید، اگرچه او قابل مشاهده نیست. یک موج صوتی به راحتی در گوشه ای خم می شود، در حالی که نور به دلیل طول موج کوتاه خود، سایه های تیز ایجاد می کند.

اجازه دهید پراش یک موج صوت صفحه را روی یک صفحه تخت جامد با یک سوراخ در نظر بگیریم. برای تعیین شکل جبهه موج در طرف دیگر صفحه، باید رابطه بین طول موج را بدانید. لو قطر سوراخ D. اگر این مقادیر تقریباً یکسان باشند یا لخیلی بیشتر D، سپس پراش کامل می شود: جبهه موج موج در حال ظهور کروی خواهد بود و موج به تمام نقاط پشت صفحه می رسد. اگر لتا حدودی کمتر D، سپس موج نوظهور عمدتاً در جهت رو به جلو منتشر می شود. و در نهایت، اگر لخیلی کمتر D، سپس تمام انرژی آن در یک خط مستقیم پخش می شود. این موارد در شکل نشان داده شده است. 10.

همچنین پراش زمانی 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. وقتی اندازه مانع با طول موج یا کوچکتر از آن قابل مقایسه باشد، صدا تا حدی در همه جهات پراکنده می شود. این در آکوستیک معماری مورد توجه قرار می گیرد. به عنوان مثال، گاهی اوقات دیوارهای یک ساختمان با برجستگی هایی با ابعاد به ترتیب طول موج صدا پوشانده می شود. (در فرکانس 100 هرتز، طول موج در هوا حدود 3.5 متر است.) در این حالت صدایی که بر روی دیوارها می ریزد 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 که در یک رسانه حرکت می کند به یک رابط با رسانه دیگر برخورد می کند، سه فرآیند می توانند به طور همزمان رخ دهند. یک موج می تواند از یک رابط منعکس شود، می تواند بدون تغییر جهت به محیط دیگری منتقل شود، یا می تواند در مرز تغییر جهت دهد، به عنوان مثال. شکست. در شکل شکل 11 ساده ترین حالتی را نشان می دهد که یک موج مسطح در زوایای قائم به سطح صافی که دو ماده مختلف را از هم جدا می کند، برخورد می کند. اگر ضریب انعکاس شدت، که کسر انرژی بازتابی را تعیین می کند، برابر باشد آر، سپس ضریب انتقال برابر خواهد بود تی = 1 – آر.

برای یک موج صوتی، نسبت فشار اضافی به سرعت حجمی نوسانی، 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. مقاومت موجی 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 رابط هوا و آب نسبت امپدانس موج 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 عملاً نه از هوا به داخل استخر آب و نه از زیر آب به بیرون نفوذ نمی کند، که برای همه کسانی که زیر آب شنا کرده اند به خوبی شناخته شده است.

در مورد بازتابی که در بالا در نظر گرفته شد، فرض شد که ضخامت محیط دوم در جهت انتشار موج زیاد است. اما ضریب انتقال به طور قابل توجهی بیشتر خواهد بود اگر محیط دوم دیواری باشد که دو محیط 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 عمود بر هم بسیار زیاد است. پارتیشن برای صدای این فرکانس کاملاً شفاف بود اگر جذب نبود که در اینجا از آن غفلت می کنیم. اگر ضخامت دیوار بسیار کمتر از طول موج صدا در آن باشد، بازتاب همیشه کوچک و انتقال زیاد است، مگر در مواردی که اقدامات خاصی برای افزایش جذب صدا انجام می شود.

انکسار صدا.

هنگامی که یک موج صوتی صفحه با زاویه ای در سطح مشترک برخورد می کند، زاویه بازتاب آن است برابر با زاویهسقوط. اگر زاویه تابش با 90 درجه متفاوت باشد، موج ارسالی از جهت موج فرودی منحرف می شود. این تغییر جهت حرکت موج را شکست می گویند. هندسه شکست در یک مرز صاف در شکل نشان داده شده است. 12. زوایای بین جهت امواج و نرمال به سطح نشان داده 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. همانطور که در مورد امواج نور، این زوایا با قانون اسنل به یکدیگر مرتبط هستند:

بنابراین، اگر سرعت صوت در محیط دوم کمتر از محیط اول باشد، زاویه شکست کمتر از زاویه برخورد خواهد بود، اما اگر سرعت در محیط دوم بیشتر باشد، زاویه شکست کمتر خواهد بود. زاویه بیشترسقوط.

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 صورت وجود 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 تغییرات در سرعت عمودی صوت ناشی از گرادیان دما، موج صوتی می تواند به سمت بالا یا پایین منحرف شود.

زمانی را در نظر بگیرید که در جایی نزدیک به سطح زمین هوا گرمتر از لایه های بالاتر است. سپس با افزایش ارتفاع، دمای هوا در اینجا کاهش می یابد و به همراه آن سرعت صوت نیز کاهش می یابد. صدایی که از منبعی در نزدیکی سطح زمین ساطع می شود به دلیل شکست به سمت بالا حرکت می کند. این در شکل نشان داده شده است. 13، که صدا "اشعه" را نشان می دهد.

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

از شکل 13 می توان دید که ناحیه 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 می‌شود، در فاصله بسیار زیادی به سمت سطح زمین منحرف می‌شود. این زمانی اتفاق می‌افتد که لایه‌ای از وارونگی دما در اتمسفر تشکیل می‌شود که در نتیجه آن ایجاد می‌شود پذیرش احتمالیسیگنال های صوتی با برد فوق العاده علاوه بر این، کیفیت پذیرش 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 انکسار مناسب صوت کمک می کرد، در انگلستان صدای توپ در جبهه فرانسه شنیده می شد.

شکست صدا در زیر آب

انکسار صدا، ناشی از تغییرات عمودی دما، در اقیانوس نیز مشاهده می شود. اگر دما و در نتیجه سرعت صوت با عمق کاهش یابد، پرتوهای صوت به سمت پایین منحرف می شوند و در نتیجه منطقه ای از سکوت مشابه آنچه در شکل نشان داده شده است ایجاد می شود. 13 برای جو. برای اقیانوس، اگر این تصویر به سادگی برگردانده شود، تصویر مربوطه به دست می آید.

وجود مناطق خاموش تشخیص زیردریایی ها را با سونار 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، شکست رو به بالا نیز مشاهده می شود. می تواند شرایط مطلوب تری را برای سونار ایجاد کند.

تداخل امواج صوتی

روکش دو یا بیشترامواج را تداخل موج می نامند.

امواج ایستاده در نتیجه تداخل.

امواج ایستاده مورد بحث در بالا هستند مورد خاصدخالت. امواج ایستاده در نتیجه برهم نهی دو موج با دامنه، فاز و فرکانس یکسان، که در جهت مخالف منتشر می شوند، تشکیل می شوند.

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

كتك زدن.

تداخل امواج هارمونیک فرکانس های مختلف نیز امکان پذیر است. هنگامی که دو فرکانس کمی با هم تفاوت دارند، به اصطلاح ضربان اتفاق می افتد. ضربه ها تغییراتی در دامنه صدا هستند که در فرکانسی برابر با اختلاف فرکانس های اصلی رخ می دهند. در شکل شکل 14 یک اسیلوگرام از ضربان ها را نشان می دهد.

باید در نظر داشت که فرکانس ضربه فرکانس مدولاسیون دامنه صدا است. ضرب و شتم را نیز نباید با اختلاف فرکانس ناشی از اعوجاج سیگنال هارمونیک اشتباه گرفت.

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

جذب امواج صوتی.

شدت امواج صوتی در حین انتشار آنها به دلیل اتلاف بخش خاصی از انرژی صوتی همیشه کاهش می یابد. به دلیل فرآیندهای تبادل حرارت، برهمکنش بین مولکولی و اصطکاک داخلی، امواج صوتی در هر محیطی جذب می شوند. شدت 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 با چه سرعتی فشار اضافی بسته به مسافت طی شده توسط موج انتشار کاهش می یابد. کاهش دامنه فشار اضافی –D R eهنگام عبور از مسافت D ایکسمتناسب با دامنه فشار اضافی اولیه است R eو فاصله D ایکس. بدین ترتیب،

-D پلی اتیلن = بوزینه D ایکس.

به عنوان مثال، وقتی می گوییم افت جذب 1 دسی بل بر متر است، به این معنی است که در فاصله 50 متری سطح فشار صوت 50 دسی بل کاهش می یابد.

جذب به دلیل اصطکاک داخلی و هدایت حرارتی.

در طول حرکت ذرات مرتبط با انتشار یک موج صوتی، 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 امواج صوتی به گرما می شود، دلیل اصلی جذب صدا در گازها و مایعات است.

علاوه بر این، جذب در گازها و مایعات به دلیل اتلاف حرارت در هنگام تراکم در موج است. قبلاً گفتیم که 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 فرآیندناقص است و بخشی از انرژی حرارتی آزاد شده از سیستم خارج می شود. این به دلیل هدایت حرارتی با جذب صدا همراه است. این جذب در امواج فشرده در گازها، مایعات و جامدات اتفاق می افتد.

جذب صوت، هم به دلیل ویسکوزیته و هم به دلیل هدایت حرارتی، عموماً با مجذور فرکانس افزایش می‌یابد. 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 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 خواهد بود.

جذب در جامدات

مکانیسم جذب صوت به دلیل هدایت حرارتی و ویسکوزیته که در گازها و مایعات اتفاق می افتد، در جامدات نیز حفظ می شود. با این حال، در اینجا مکانیسم های جذب جدید به آن اضافه می شود. آنها با نقص در ساختار جامدات همراه هستند. واقعیت این است که مواد جامد چند کریستالی از بلورهای کوچک تشکیل شده اند. هنگامی که صدا از آنها عبور می کند، تغییر شکل هایی رخ می دهد که منجر به جذب انرژی صوتی می شود. صدا نیز در مرز کریستالیت ها پراکنده می شود. علاوه بر این، حتی تک بلورها نیز دارای نقص هایی مانند دررفتگی هستند که به جذب صدا کمک می کند. نابجایی ها نقض هماهنگی هواپیماهای اتمی است. هنگامی که یک موج صوتی باعث ایجاد ارتعاشات اتمی می شود، نابجایی ها جابه جا می شوند و سپس به موقعیت های 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 ساخته شده از 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 خوب زنگ می زند. در دماهای پایین، نابجایی ها در یک موقعیت ثابت "یخ زده" می شوند و بنابراین حرکت نمی کنند و انرژی صوتی را به گرما تبدیل نمی کنند.

آکوستیک موزیکال

صداهای موسیقی

آکوستیک موسیقی ویژگی های صداهای موسیقی، ویژگی های آنها را در ارتباط با نحوه درک ما از آنها و مکانیسم های صدا مطالعه می کند. آلات موسیقی.

صدای موسیقایی یا آهنگ، صدایی 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 عنوان مجموع نوسانات با فرکانس هایی که مضرب فرکانس اصلی هستند نشان داد. f: 2f, 3f, 4fو غیره. همچنین اشاره شد که سیم های ارتعاشی و ستون های هوا صداهای موسیقی تولید می کنند.

صداهای موسیقی از سه جهت متفاوت است: حجم، زیر و بم و تایم. همه این شاخص ها ذهنی هستند، اما می توانند با مقادیر قابل اندازه گیری مرتبط باشند. بلندی صدا در درجه اول به شدت صدا مربوط می شود. زیر و بمی صدا، که موقعیت آن را در ساختار موسیقی مشخص می کند، با فرکانس لحن تعیین می شود. تمبری که توسط 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 بم صدا.

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

به عنوان مثال، مشخص شده است که ارزیابی ارتفاع صدای تک فرکانس تا حدودی به سطح صدای آن بستگی دارد. با افزایش قابل توجه حجم، مثلاً 40 دسی بل، فرکانس ظاهری ممکن است 10٪ کاهش یابد. در عمل، این وابستگی به بلندی صدا مهم نیست، زیرا صداهای موسیقی بسیار پیچیده تر از صدای تک فرکانس هستند.

پرسش از رابطه بین زیر و بم و فرکانس اساسی‌تر است: اگر صداهای موسیقی از هارمونیک تشکیل شده‌اند، پس فرکانس درک شده با چه فرکانسی مرتبط است؟ معلوم می شود که این ممکن است فرکانس منطبق با حداکثر انرژی نباشد و کمترین فرکانس در طیف نباشد. به عنوان مثال، یک صدای موسیقی متشکل از مجموعه ای از فرکانس های 200، 300، 400 و 500 هرتز به عنوان صدایی با زیر و بمی 100 هرتز درک می شود. یعنی زیر و بمی صدا با فرکانس اصلی سری هارمونیک مرتبط است، حتی اگر در طیف صدا نباشد. درست است، اغلب فرکانس اساسی به یک درجه یا درجه دیگر در طیف وجود دارد.

وقتی در مورد رابطه بین زیر و بمی صدا و فرکانس آن صحبت می کنیم، نباید ویژگی ها را فراموش کنیم اندام انسانشنیدن این یک گیرنده آکوستیک ویژه است که اعوجاج های خاص خود را معرفی می کند (غیر از این که جنبه های روانی و ذهنی شنوایی وجود دارد). گوش قادر است فرکانس های خاصی را شناسایی کند، علاوه بر این، موج صوتی در آن دچار اعوجاج غیرخطی می شود. انتخاب فرکانس به دلیل تفاوت بین بلندی صدا و شدت آن ایجاد می شود (شکل 9). توضیح اعوجاج های غیرخطی، که در ظاهر فرکانس هایی که در سیگنال اصلی وجود ندارند، بیان می شوند، دشوارتر است. غیر خطی بودن پاسخ گوش به دلیل عدم تقارن حرکت عناصر مختلف آن است.

یکی از ویژگی های بارز سیستم گیرنده غیرخطی این است که زمانی که 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 f 1 . علاوه بر این، هنگام تحریک یک سیستم غیر خطی با دو فرکانس f 1 و f 2 فرکانس های مجموع و اختلاف در آن برانگیخته می شوند f 1 + f 2 و f 1 - f 2. هر چه دامنه نوسانات 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 چنین فرکانس هایی 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 اضافی ظاهر می شوند: 250 - 200 = 50، 250 + 200 = 450، 2ґ 200 = 400، 2ґ 250 = 500 هرتز و غیره. برای شنونده به نظر می رسد 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 می شود، 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 زمانی ایجاد می شوند که دامنه سیگنال اصلی به اندازه کافی بزرگ باشد. 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، صداها به عنوان لحن اساسی در نظر گرفته شدند که کل ساختار موسیقی را تعیین می کند. فرکانس های مختلف. اکنون فرکانس پذیرفته شده عمومی برای نت "A" اکتاو اول 440 هرتز است. اما در گذشته از 400 تا 462 هرتز متغیر بود.

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

یک روش استروبوسکوپی که به طور گسترده برای اندازه گیری گام استفاده می شود، این است که در آن صدای یک آلت موسیقی، فرکانس چشمک زدن یک 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 شنود است. حتی گوش آموزش ندیده نیز می تواند تنها 0.3 درصد اختلاف فرکانس را در محدوده 500 تا 5000 هرتز تشخیص دهد. حساسیت را می توان با تمرین افزایش داد. نوازندگان احساس بسیار توسعه یافته ای از زیر و بمی دارند، اما همیشه برای تعیین فرکانس صدای خالص تولید شده توسط یک نوسانگر مرجع مفید نیست. این نشان می دهد که هنگام تعیین فرکانس صدا توسط گوش نقش مهمتن او می نوازد

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 در هنگام مقایسه صداهایی با سطح و بلندی یکسان. این به اصطلاح کیفیت صدا است.

تمبر به طیف فرکانس صدا و تغییرات آن در طول زمان بستگی دارد. این توسط عوامل متعددی تعیین می شود: توزیع انرژی بر روی تون ها، فرکانس هایی که در لحظه ظاهر شدن یا متوقف شدن صدا ایجاد می شوند (به اصطلاح زنگ های انتقالی) و تضعیف آنها، و همچنین دامنه و مدولاسیون فرکانس آهسته صدا. "ویبراتو").

شدت فراتون.

بیایید یک رشته کشیده را در نظر بگیریم که با کندن قسمت میانی آن برانگیخته می شود (شکل 15، آ). از آنجایی که همه هارمونیک های زوج دارای گره هایی در وسط هستند، 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 رزونانس با پیکربندی آن تعیین می شود و توزیع انرژی بین هارمونیک ها به روش تحریک بستگی دارد. هنگامی که یک سیم برانگیخته می شود، فرکانس اصلی در وسط آن غالب است و هارمونیک های زوج کاملاً سرکوب می شوند. اگر ریسمان در قسمت میانی خود ثابت شود و در جای دیگری کنده شود، فرکانس اصلی و هارمونیک های فرد سرکوب می شوند.

همه اینها در مورد سایر آلات موسیقی معروف صدق می کند، اگرچه جزئیات ممکن است 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.

فرمنت ها.

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

تغییر تن در طول زمان.

لحن هر ساز به ندرت در طول زمان ثابت می ماند و تن صدا به طور قابل توجهی با این موضوع 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 صدای انسان صادق است.

برای بسیاری از سازها، به عنوان مثال پیانو، مدت زمان صدا به گونه ای است که آهنگ ثابت زمان تشکیل را ندارد - صدای هیجان زده به سرعت افزایش می یابد و سپس به سرعت تحلیل می رود. از آنجایی که تضعیف تون معمولاً توسط اثرات وابسته به فرکانس (مانند تشعشعات آکوستیک) ایجاد می شود، بدیهی است که توزیع تون ها در سراسر صدای 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 به آسانی قابل مشاهده است، سازهای زهی (لوک شده و کیبورد) عملاً صدای ثابتی ندارند. در چنین مواردی، ما فقط می توانیم در مورد طیف تون به صورت مشروط صحبت کنیم، زیرا صدا به سرعت در طول زمان تغییر می کند. ویژگی‌های صعود و سقوط نیز بخش مهمی از صدای این سازها است.

زنگ های انتقالی

ترکیب هارمونیک یک تن معمولاً به سرعت تغییر می کند مدت کوتاهیبعد از اینکه صدا هیجان زده شد در سازهایی که صدا با زدن سیم یا کندن برانگیخته می شود، انرژی قابل انتساب به هارمونیک های بالاتر (و همچنین به اجزای غیر هارمونیک متعدد) بلافاصله پس از شروع صدا به حداکثر می رسد و پس از کسری از ثانیه این فرکانس ها می میرند. بیرون چنین صداهایی که انتقالی نامیده می شوند، رنگ خاصی به صدای ساز می دهند. در پیانو، آنها در اثر برخورد چکش به سیم ایجاد می شوند. گاهی اوقات سازهای موسیقی با ساختار تون یکسان را فقط می توان با آهنگ های انتقالی آنها تشخیص داد.

صدای سازهای موسیقی

صداهای موسیقی را می توان از طرق مختلف برانگیخت و تغییر داد، به همین دلیل است که آلات موسیقی به اشکال مختلفی می آیند. سازها عمدتاً توسط خود نوازندگان و صنعتگران ماهر و بدون توسل به تئوری علمی ساخته و بهبود یافته اند. بنابراین، علم آکوستیک نمی تواند توضیح دهد که مثلاً چرا یک ویولن شکلی دارد که دارد. با این حال، توصیف ویژگی های صدای ویولن بر اساس کاملاً ممکن است اصول کلیبازی های روی آن و طراحی های آن

محدوده فرکانس یک ساز معمولاً به محدوده فرکانس های تن های اساسی آن اشاره دارد. صدای انسان تقریباً دو اکتاو و یک آلت موسیقی حداقل سه ( اندام بزرگ- ده). در بیشتر موارد، اهنگ‌ها تا لبه‌های محدوده قابل شنیدن گسترش می‌یابند.

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

صدای موسیقی در زمان تناوبی است و صداهای دوره ای از یک سری هارمونیک تشکیل شده است. 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)، سازها نمی توانند صدای تک فرکانس تولید کنند. هنگامی که ویبراتور اصلی برانگیخته می شود، صدایی حاوی تون ها ظاهر می شود. برای برخی از ویبراتورها، فرکانس های تشدید جزء هارمونیک نیستند. سازهایی از این دست (به عنوان مثال، طبل و سنج) در موسیقی ارکستر برای بیان خاص و برای تأکید بر ریتم استفاده می شود، اما نه برای توسعه ملودیک.

سازهای زهی.

سیم ارتعاشی خود یک پخش کننده صدای ضعیف است و بنابراین ساز زهی باید یک تشدید کننده اضافی برای تحریک صدایی با شدت قابل توجه داشته باشد. این ممکن است یک حجم محصور از هوا، یک صفحه صدا، یا ترکیبی از هر دو باشد. شخصیت صوتی ساز نیز با نحوه برانگیختن سیم ها مشخص می شود.

قبلاً دیدیم که فرکانس بنیادی ارتعاش یک رشته با طول ثابت است Lبا بیان داده می شود

جایی که تینیروی کشش رشته است و r L– جرم در واحد طول رشته بنابراین، فرکانس را می توانیم به سه طریق تغییر دهیم: با تغییر طول، کشش یا جرم. بسیاری از سازها از تعداد کمی سیم با طول مساوی استفاده می کنند که فرکانس های اساسی آنها با انتخاب مناسب کشش و جرم تعیین می شود. فرکانس های دیگر با کوتاه کردن طول رشته با انگشتان به دست می آیند.

سازهای دیگر، مانند پیانو، برای هر نت یکی از سیم های از پیش کوک شده را دارند. کوک کردن پیانو، در جایی که محدوده فرکانس زیاد است، کار آسانی نیست، به خصوص در ناحیه فرکانس پایین. نیروی کشش تمام سیم‌های پیانو تقریباً یکسان است (تقریباً 2 کیلو نیوتن)، و با تغییر طول و ضخامت سیم‌ها، فرکانس‌های متنوعی حاصل می‌شود.

هم زدن ساز زهی را می توان با چیدن (مثلاً بر روی چنگ یا بانجو)، ضربه زدن (روی پیانو) یا استفاده از آرشه (در مورد آلات موسیقی خانواده ویولن) انجام داد. در تمام موارد، همانطور که در بالا نشان داده شد، تعداد هارمونیک ها و دامنه آنها به روش تحریک رشته بستگی دارد.

پیانو.

یک نمونه معمولی از سازهایی که سیم با ضربه زدن برانگیخته می شود، پیانو است. صفحه صوتی بزرگ این ساز طیف گسترده ای از فرمت ها را ارائه می دهد، بنابراین صدای آن برای هر نت هیجان انگیز بسیار یکنواخت است. فرمت‌های اصلی در فرکانس‌های 400 تا 500 هرتز به اوج می‌رسند و در فرکانس‌های پایین‌تر، تون‌ها به‌ویژه از نظر هارمونیک غنی هستند، با دامنه فرکانس اصلی کوچک‌تر از برخی از تون‌ها. در پیانو، چکش به جز کوتاه‌ترین سیم‌ها، در نقطه‌ای که 1/7 طول سیم از یکی از انتهای آن قرار دارد، زده می‌شود. این معمولاً با این واقعیت توضیح داده می شود که در این مورد هارمونیک هفتم، ناهماهنگ با توجه به فرکانس اساسی، 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 توسط آرشه تولید می شود که به کمک آن نیروی محرکه متغیری به سیم وارد می شود و ارتعاشات سیم را حفظ می کند. تحت عمل کمان متحرک، ریسمان در اثر اصطکاک به پهلو کشیده می شود تا در اثر افزایش نیروی کشش پاره شود. 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 ترتیب افزایش اندازه و کاهش دامنه فرکانس، سازهای زهی اصلی آرشه ای به شرح زیر تنظیم می شوند: ویولن، ویولا، ویولن سل، کنترباس. طيف فركانسي اين سازها به ويژه از نظر لحن غني است كه بي ترديد گرما و رسايت خاصي به صداي آنها مي بخشد. در خانواده ویولن، سیم ارتعاشی به طور آکوستیک به حفره هوا و بدنه ساز متصل می شود 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 فرمت ها هستند که به منطقه فرکانس پایین منتقل شده اند. بنابراین، همان نت نواخته شده روی دو ساز از خانواده ویولن، به دلیل تفاوت در ساختار تون، رنگ تمبر متفاوتی پیدا می کند.

این ویولن به دلیل شکل بدنه اش رزونانس مشخصی در نزدیکی 500 هرتز دارد. هنگامی که نتی که فرکانس آن نزدیک به این مقدار است پخش می شود، ممکن است یک صدای ارتعاشی ناخواسته به نام "نوت گرگ" رخ دهد. 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 تحریک طنین یک ستون هوا به وجود می آیند.

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

اولین مورد از این روش های تحریک مبتنی بر ظاهر "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 طور دوره ای ابتدا در یک طرف و سپس در طرف دیگر گوه ایجاد می شوند. فرکانس تشکیل آنها بیشتر است، سرعت بالاتر است جریان هوا. اگر چنین دستگاهی از نظر صوتی به یک ستون هوای تشدید کننده جفت 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 سرعت جریان هوا از حداقل مقدار معینی تجاوز کند. در محدوده معینی از سرعت های بیش از این مقدار، فرکانس صدای لبه برابر با این فرکانس اساسی است. در یک سرعت جریان هوا حتی بیشتر (نزدیک به سرعتی که فرکانس لبه، در صورت عدم اتصال با تشدید کننده، برابر با هارمونیک دوم تشدید کننده خواهد بود)، فرکانس لبه دو برابر می شود و زیر و بمی صدا افزایش می یابد. ساطع شده از کل سیستم یک اکتاو بالاتر است. به این می گویند overblowing.

صداهای لبه ستون های هوا را در سازهایی مانند ارگ، فلوت و پیکولو تحریک می کنند. هنگام نواختن فلوت، نوازنده صداهای لبه را با دمیدن از پهلو به سوراخ کناری نزدیک یکی از انتهای آن تحریک می کند. نت های یک اکتاو، از D به بالا، با تغییر طول موثر بشکه، باز کردن سوراخ های کناری، با تن لبه معمولی تولید می شوند. اکتاوهای بالاتر با دمیدن بیش از حد به دست می آیند.

راه دیگر برای برانگیختن صدای ساز بادی بر این است که به طور متناوب جریان هوا با نی نوسانی قطع شود که به آن نی می گویند زیرا از نی ساخته شده است. از این روش در سازهای مختلف چوبی و برنجی استفاده می شود. گزینه هایی با یک نی (مثلاً در سازهای کلارینت، ساکسیفون و آکاردئون) و با نی دوتایی متقارن (مثلاً در ابوا و باسون) وجود دارد. 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. عصا به داخل شکاف کشیده می شود و آن را می بندد. در غیاب جریان، عصای الاستیک صاف می شود و روند تکرار می شود.

در سازهای بادی، انتخاب نت های یک ترازو، مانند فلوت، با باز کردن سوراخ های کناری و دمیدن انجام می شود.

بر خلاف ترومپتی که در هر دو انتها باز است، که دارای طیف کاملی از تون ها است، ترومپتی که تنها در یک انتها باز است، فقط هارمونیک های فرد دارد. سانتی متر. بالاتر). این پیکربندی کلارینت است و بنابراین هارمونیک های یکنواخت آن ضعیف بیان می شود. دمیدن بیش از حد 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 آن مخروطی است، در حالی که در کلارینت سطح مقطع سوراخ در بیشتر طول آن ثابت است. محاسبه فرکانس ارتعاش در یک بشکه مخروطی دشوارتر از یک لوله استوانه ای است، اما هنوز طیف کاملی از تون ها وجود دارد. در این حالت، فرکانس ارتعاش یک لوله مخروطی شکل با انتهای باریک بسته مانند یک لوله استوانه ای باز در دو انتها است.

ابزار برنجی.

سازهای برنجی، از جمله بوق، ترومپت، کورنت پیستون، ترومبون، بوگل و توبا، توسط لب ها برانگیخته می شوند، که وقتی با دهانه ای شکل خاص ترکیب می شوند، شبیه به عمل یک نی دوتایی هستند. فشار هوا هنگام صدای مهیج در اینجا بسیار بیشتر از بادهای چوبی است. بادهای برنجی معمولاً دارای یک بشکه فلزی با بخش استوانه ای و مخروطی هستند که به یک زنگ ختم می شود. بخش ها به گونه ای انتخاب می شوند که طیف کاملی از هارمونیک ها را ارائه دهند. طول کل بشکه از 1.8 متر برای لوله تا 5.5 متر برای لوله متغیر است. لوله به شکل حلزونی برای سهولت در جابجایی و نه به دلایل صوتی پیچ می شود.

با طول بشکه ثابت، نوازنده تنها نت هایی را در اختیار دارد که توسط فرکانس های طبیعی بشکه تعیین می شود (و فرکانس اصلی معمولاً "غیرقابل برداشت" است) و هارمونیک های بالاتر با افزایش فشار هوا در قطعه دهانی تحریک می شوند. بنابراین، روی یک بوگ با طول ثابت فقط می توانید چند نت (هارمونیک دوم، سوم، چهارم، پنجم و ششم) را اجرا کنید. در سایر سازهای برنجی، فرکانس های بین هارمونیک ها با تغییر طول بشکه گرفته می شود. ترومبون از این نظر منحصر به فرد است، طول لوله آن با حرکت صاف یک اسلاید U شکل جمع شونده تنظیم می شود. انتخاب نت‌های کل مقیاس توسط هفت موقعیت مختلف اسلاید با تغییر در رنگ هیجان‌انگیز بشکه تضمین می‌شود. در سایر سازهای برنجی این امر توسط افزایش موثرطول کامل بشکه با استفاده از سه کانال جانبی با طول های مختلف و در ترکیب های مختلف. یعنی هفت طول های مختلفتنه مانند ترومبون، نت‌های کل مقیاس با سری‌های مختلف رنگ‌های هیجان‌انگیز مربوط به این هفت طول بشکه زده می‌شوند.

تن تمام سازهای برنجی سرشار از هارمونیک است. این عمدتا به دلیل وجود یک زنگ است که باعث افزایش کارایی تابش صدا در فرکانس های بالا می شود. ترومپت و بوق برای پخش طیف وسیع تری از هارمونیک ها نسبت به بوق طراحی شده اند. تکنوازی 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 در اثر ضربه برانگیخته می‌شوند، از دو جهت متفاوت هستند: بدنه ارتعاشی رنگ‌های هارمونیک تولید نمی‌کند 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 ارتعاشات یک تشدید کننده هوا با همان شکل است، زیرا انواع بیشتری از ارتعاشات در جامدات وجود دارد. بنابراین، امواج فشرده، خمش و پیچش می توانند در امتداد یک میله فلزی منتشر شوند. بنابراین، یک میله استوانه‌ای دارای حالت‌های ارتعاشی و بنابراین فرکانس‌های تشدید بیشتری نسبت به یک ستون هوای استوانه‌ای است. علاوه بر این، این فرکانس های تشدید یک سری هارمونیک تشکیل نمی دهند. زیلوفون از ارتعاشات خمشی میله های جامد استفاده می کند. نسبت تون های نوار زیلوفون ارتعاشی به فرکانس اصلی عبارتند از: 2.76، 5.4، 8.9 و 13.3.

چنگال تنظیم یک میله منحنی نوسانی است و حالت اصلی ارتعاش 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 جسم جامد نوسانی که صداهای موسیقی تولید می کند زنگ است. اندازه ناقوس ها می تواند متفاوت باشد - از یک ناقوس کوچک گرفته تا ناقوس های چند تنی کلیسا. هر چه زنگ بزرگتر باشد، صداهای آن کمتر می شود. شکل و سایر ویژگی‌های ناقوس‌ها در طول تکامل قرن‌ها دستخوش تغییرات زیادی شده است. تعداد کمی از شرکت ها به تولید خود مشغول هستند که به مهارت زیادی نیاز دارد.

سری تون اولیه زنگ هارمونیک نیست و نسبت های تون برای زنگ های مختلف یکسان نیست. برای مثال، برای یک زنگ بزرگ، نسبت‌های اندازه‌گیری شده تون به فرکانس‌های بنیادی 1.65، 2.10، 3.00، 3.54، 4.97 و 5.33 بود. اما توزیع انرژی در میان تون ها بلافاصله پس از زدن زنگ به سرعت تغییر می کند و به نظر می رسد شکل زنگ به گونه ای انتخاب شده است که فرکانس های غالب تقریباً به طور هماهنگ با یکدیگر مرتبط هستند. گام یک زنگ توسط فرکانس اصلی تعیین نمی شود، بلکه توسط نت غالب بلافاصله پس از ضربه زدن تعیین می شود. تقریباً با صدای پنجم زنگ مطابقت دارد. پس از مدتی، اهنگ های پایین تر در صدای زنگ غالب می شوند.

در یک درام، عنصر نوسانی یک غشای چرمی است که معمولاً گرد است که می‌توان آن را آنالوگ دوبعدی یک ریسمان کشیده در نظر گرفت. در موسیقی، طبل به اندازه سیم مهم نیست زیرا محدوده طبیعی فرکانس های طبیعی آن هارمونیک نیست. یک استثناء تیمپانی است که غشای آن بر روی یک تشدید کننده هوا کشیده شده است. با تغییر ضخامت هد در جهت شعاعی، می‌توان دنباله ی تون درام را هارمونیک کرد. نمونه ای از چنین طبل می تواند باشد تبلا، در موسیقی کلاسیک هند استفاده می شود.

قوانین اساسی انتشار صدا شامل قوانین بازتاب و شکست آن در مرزهای رسانه های مختلف و همچنین پراش صدا و پراکندگی آن در حضور موانع و ناهمگونی در محیط و در فصل مشترک بین رسانه ها می باشد.

دامنه انتشار صوت تحت تأثیر عامل جذب صدا، یعنی انتقال غیرقابل برگشت انرژی موج صوتی به انواع دیگر انرژی، به ویژه گرما، قرار دارد. یک عامل مهمهمچنین جهت تابش و سرعت انتشار صوت است که به محیط و حالت خاص آن بستگی دارد.

از یک منبع صوتی، امواج صوتی در همه جهات منتشر می شوند. اگر موج صوتی از یک سوراخ نسبتاً کوچک عبور کند، در تمام جهات پخش می شود و در یک پرتو جهت دار حرکت نمی کند. به عنوان مثال، صداهای خیابان از راه می رسد پنجره بازبه داخل اتاق، در تمام نقاطش شنیده می شود، و نه فقط در مقابل پنجره.

ماهیت انتشار امواج صوتی در نزدیکی یک مانع به رابطه بین اندازه مانع و طول موج بستگی دارد. اگر اندازه مانع در مقایسه با طول موج کوچک باشد، موج در اطراف این مانع جریان می یابد و در همه جهات پخش می شود.

امواج صوتی که از یک رسانه به رسانه دیگر نفوذ می کنند، از جهت اصلی خود منحرف می شوند، یعنی شکسته می شوند. زاویه شکست ممکن است بزرگتر یا کمتر از زاویه تابش باشد. بستگی به این دارد که صدا در کدام رسانه نفوذ کند. اگر سرعت صوت در محیط دوم بیشتر باشد، زاویه شکست بیشتر از زاویه برخورد خواهد بود و بالعکس.

هنگام برخورد با یک مانع در مسیر خود، امواج صوتی طبق یک قانون کاملاً تعریف شده از آن منعکس می شود - زاویه انعکاس برابر با زاویه برخورد است - مفهوم اکو با این موضوع مرتبط است. اگر صدا از چندین سطح در فواصل مختلف منعکس شود، پژواک های متعددی رخ می دهد.

صدا به شکل یک موج کروی واگرا حرکت می کند که همه چیز را پر می کند حجم بزرگتر. با افزایش فاصله، ارتعاشات ذرات محیط ضعیف شده و صدا از بین می رود. مشخص است که برای افزایش برد انتقال، صدا باید در یک جهت معین متمرکز شود. مثلاً وقتی می خواهیم صدایمان شنیده شود، کف دستمان را به دهانمان می گذاریم یا از یک مگافون استفاده می کنیم.

پراش، یعنی خمش پرتوهای صوت، تأثیر زیادی بر دامنه انتشار صدا دارد. هر چه محیط ناهمگن تر باشد، پرتو صوت بیشتر خم می شود و بر این اساس، دامنه انتشار صدا کوتاه تر می شود.

انتشار صدا

امواج صوتی می توانند در هوا، گازها، مایعات و جامدات حرکت کنند. امواج در فضای بدون هوا به وجود نمی آیند. تأیید این موضوع از تجربه ساده آسان است. اگر زنگ الکتریکی زیر یک کلاهک هوابند که هوا از آن خارج شده است قرار گیرد، صدایی نمی شنویم. اما به محض پر شدن کلاهک از هوا، صدایی به گوش می رسد.

سرعت انتشار حرکات نوسانی از ذره به ذره به محیط بستگی دارد. در زمان های قدیم، جنگجویان گوش های خود را روی زمین می گذاشتند و بنابراین سواره نظام دشمن را خیلی زودتر از آنچه در دید به نظر می رسید شناسایی می کردند. و دانشمند معروف لئوناردو داوینچی در قرن پانزدهم می نویسد: "اگر شما در دریا هستید، سوراخ لوله ای را در آب فرو کنید و سر دیگر آن را به گوش خود بسپارید، صدای کشتی ها را بسیار خواهید شنید. دور از تو.»

سرعت صوت در هوا برای اولین بار در قرن هفدهم توسط آکادمی علوم میلان اندازه گیری شد. یک توپ روی یکی از تپه ها نصب شده بود و یک پست دیده بانی در سمت دیگر قرار داشت. زمان هم در لحظه عکسبرداری (با فلاش) و هم در لحظه دریافت صدا ثبت شد. بر اساس فاصله بین نقطه مشاهده و تفنگ و زمان مبدا سیگنال، محاسبه سرعت انتشار صدا دیگر دشوار نبود. معلوم شد که برابر با 330 متر بر ثانیه است.

سرعت صوت در آب برای اولین بار در سال 1827 در دریاچه ژنو اندازه گیری شد. این دو قایق در فاصله ۱۳۸۴۷ متری از یکدیگر قرار داشتند. در اولی، زنگی در زیر آویزان بود و در دومی، یک هیدروفون ساده (بوق) را به داخل آب می انداختند. در قایق اول، همزمان با زدن زنگ باروت به آتش کشیده شد؛ در قایق دوم، ناظر در لحظه فلاش، کرونومتر را روشن کرد و شروع به انتظار برای رسیدن سیگنال صوتی زنگ کرد. مشخص شد که صدا در آب بیش از 4 برابر سریعتر از هوا حرکت می کند. با سرعت 1450 متر بر ثانیه.

سرعت صدا

هرچه کشش محیط بالاتر باشد، سرعت بیشتر است: در لاستیک 50، در هوا 330، در آب 1450، و در فولاد - 5000 متر در ثانیه. اگر ما که در مسکو بودیم می توانستیم آنقدر فریاد بزنیم که صدا به سن پترزبورگ برسد، فقط بعد از نیم ساعت در آنجا شنیده می شدیم و اگر صدا در همان فاصله در فولاد پخش می شد، آن وقت دریافت می شد. در دو دقیقه

سرعت انتشار صوت تحت تأثیر وضعیت همان محیط است. وقتی می گوییم صدا با سرعت 1450 متر در ثانیه در آب حرکت می کند، به این معنا نیست که در هیچ آبی و تحت هیچ شرایطی. با افزایش دما و شوری آب و همچنین با افزایش عمق و در نتیجه فشار هیدرواستاتیکی، سرعت صوت افزایش می یابد. یا فولاد را بگیریم. در اینجا نیز سرعت صوت به دما و ترکیب با کیفیتفولاد: هرچه کربن بیشتری داشته باشد، سخت تر است و صدا سریعتر در آن حرکت می کند.

هنگام برخورد با مانعی در مسیر خود، امواج صوتی از آن به صورت کاملاً منعکس می شود یک قانون خاص: زاویه بازتاب برابر با زاویه تابش است. امواج صوتی که از هوا می آیند تقریباً به طور کامل از سطح آب به سمت بالا منعکس می شوند و امواج صوتی که از منبع واقع در آب می آیند به سمت پایین از آن منعکس می شوند.

امواج صوتی که از یک رسانه به رسانه دیگر نفوذ می کنند، از موقعیت اصلی خود منحرف می شوند، یعنی. شکست. زاویه شکست ممکن است بزرگتر یا کمتر از زاویه تابش باشد. بستگی به این دارد که صدا در چه رسانه ای نفوذ کند. اگر سرعت صوت در محیط دوم بیشتر از محیط اول باشد، زاویه شکست از زاویه تابش بیشتر خواهد بود و بالعکس.

در هوا، امواج صوتی به شکل یک موج کروی واگرا منتشر می شوند، که حجم بیشتری را پر می کند، زیرا ارتعاشات ذرات ناشی از منابع صوتی به توده هوا منتقل می شود. با این حال، با افزایش فاصله، ارتعاشات ذرات ضعیف می شود. مشخص است که برای افزایش برد انتقال، صدا باید در یک جهت معین متمرکز شود. وقتی می‌خواهیم صدایمان بهتر شنیده شود، کف دستمان را به دهانمان می‌گذاریم یا از مگافون استفاده می‌کنیم. در این حالت صدا کمتر ضعیف می شود و امواج صوتی بیشتر حرکت می کنند.

با افزایش ضخامت دیوار، مکان صدا در فرکانس‌های میانی پایین افزایش می‌یابد، اما رزونانس تصادفی "موذیانه" که باعث خفه شدن مکان صدا می‌شود، در فرکانس‌های پایین‌تر ظاهر می‌شود و منطقه وسیع‌تری را پوشش می‌دهد.

اگر یک موج صوتی در مسیر خود با موانعی مواجه نشود، به طور یکنواخت در همه جهات منتشر می شود. اما هر مانعی برای او مانعی نمی شود.

پس از برخورد با مانعی در مسیر خود، صدا می تواند در اطراف آن خم شود، منعکس شود، شکست یا جذب شود.

پراش صدا

ما می‌توانیم با فردی که گوشه ساختمان، پشت درخت یا پشت حصار ایستاده، صحبت کنیم، اگرچه نمی‌توانیم او را ببینیم. ما آن را می شنویم زیرا صدا می تواند در اطراف این اجسام خم شود و به ناحیه پشت آنها نفوذ کند.

توانایی یک موج برای خم شدن به دور یک مانع نامیده می شود انکسار .

پراش زمانی اتفاق می افتد که طول موج صوت از اندازه مانع بیشتر شود. امواج صوتی با فرکانس پایین بسیار طولانی هستند. به عنوان مثال، در فرکانس 100 هرتز برابر با 3.37 متر است، با کاهش فرکانس، طول حتی بیشتر می شود. بنابراین، یک موج صوتی به راحتی در اطراف اجسام قابل مقایسه با آن خم می شود. درختان پارک به هیچ وجه در شنیدن صدا ما اختلالی ایجاد نمی کنند، زیرا قطر تنه آنها بسیار کمتر از طول موج صوتی است.

به لطف پراش، امواج صوتی از شکاف ها و سوراخ های یک مانع نفوذ کرده و در پشت آنها منتشر می شوند.

بیایید یک صفحه تخت با یک سوراخ در مسیر موج صوتی قرار دهیم.

در موردی که طول موج صوت ƛ بسیار بزرگتر از قطر سوراخ D ، یا این مقادیر تقریباً برابر هستند ، سپس در پشت سوراخ صدا به تمام نقاط ناحیه پشت صفحه (ناحیه سایه صدا) می رسد. جلوی موج خروجی شبیه یک نیمکره خواهد بود.

اگر ƛ فقط کمی کوچکتر از قطر شکاف است، سپس قسمت اصلی موج مستقیم منتشر می شود و قسمت کوچکی کمی به طرفین واگرا می شود. و در صورتی که ƛ خیلی کمتر D ، تمام موج در جهت جلو خواهد رفت.

انعکاس صدا

اگر موج صوتی به رابط بین دو رسانه برخورد کند، ممکن است انواع مختلفگسترش بیشتر آن صدا می تواند از رابط منعکس شود، می تواند بدون تغییر جهت به رسانه دیگری حرکت کند، یا می تواند شکسته شود، یعنی حرکت کند، جهت آن را تغییر دهد.

فرض کنید مانعی در مسیر یک موج صوتی ظاهر می شود که اندازه آن بسیار بزرگتر از طول موج است، به عنوان مثال، یک صخره محض. صدا چگونه رفتار خواهد کرد؟ از آنجایی که نمی تواند این مانع را دور بزند، از آن منعکس می شود. پشت مانع است منطقه سایه آکوستیک .

صدای منعکس شده از یک مانع نامیده می شود اکو .

ماهیت انعکاس موج صوتی ممکن است متفاوت باشد. این بستگی به شکل سطح بازتابنده دارد.

انعکاس تغییر جهت موج صوتی در حد فاصل بین دو رسانه مختلف نامیده می شود. هنگامی که منعکس می شود، موج به محیطی که از آن آمده بازمی گردد.

اگر سطح صاف باشد، صدا از آن بازتاب می‌شود، همان‌طور که یک پرتو نور در آینه منعکس می‌شود.

پرتوهای صوتی منعکس شده از یک سطح مقعر در یک نقطه متمرکز می شوند.

سطح محدب صدا را از بین می برد.

اثر پراکندگی توسط ستون های محدب، قالب های بزرگ، لوسترها و غیره داده می شود.

صدا از یک رسانه به رسانه دیگر منتقل نمی شود، اما اگر چگالی رسانه به طور قابل توجهی متفاوت باشد، از آن منعکس می شود. بنابراین صدایی که در آب ظاهر می شود به هوا منتقل نمی شود. منعکس شده از رابط، در آب باقی می ماند. شخصی که در ساحل رودخانه ایستاده است این صدا را نخواهد شنید. این با تفاوت زیاد در امپدانس موج آب و هوا توضیح داده می شود. در آکوستیک امپدانس موج برابر است با حاصل ضرب چگالی محیط و سرعت صوت در آن. از آنجایی که مقاومت موجی گازها به طور قابل توجهی کمتر از مقاومت موجی مایعات و جامدات است، هنگامی که موج صوتی به مرز هوا و آب برخورد می کند، منعکس می شود.

ماهیان در آب صدای ظاهر شدن در بالای سطح آب را نمی شنوند، اما می توانند به وضوح صدایی را تشخیص دهند که منبع آن جسمی است که در آب می لرزد.

انکسار صدا

تغییر جهت انتشار صوت نامیده می شود انکسار . این پدیده زمانی رخ می دهد که صوت از محیطی به محیط دیگر منتقل می شود و سرعت انتشار آن در این محیط ها متفاوت است.

نسبت سینوس زاویه تابش به سینوس زاویه بازتاب برابر است با نسبت سرعت انتشار صوت در محیط.

جایی که من - زاویه تابش،

r - زاویه انعکاس

v 1 – سرعت انتشار صوت در محیط اول

v 2 – سرعت انتشار صوت در محیط دوم

n - ضریب شکست.

شکست صوت نامیده می شود انکسار .

اگر موج صوتی عمود بر سطح سقوط نکند، بلکه در زاویه ای غیر از 90 درجه باشد، در این صورت موج شکسته از جهت موج فرودی منحرف می شود.

انکسار صدا را می توان نه تنها در رابط بین رسانه مشاهده کرد. امواج صوتی می توانند جهت خود را در یک محیط ناهمگن تغییر دهند - جو، اقیانوس.

در اتمسفر، شکست در اثر تغییر دمای هوا، سرعت و جهت حرکت توده های هوا ایجاد می شود. و در اقیانوس به دلیل ناهمگونی خواص آب - فشار هیدرواستاتیک متفاوت در اعماق مختلف ظاهر می شود. دماهای مختلفو شوری های مختلف

جذب صدا

هنگامی که یک موج صوتی با یک سطح برخورد می کند، بخشی از انرژی آن جذب می شود. و اینکه یک محیط چقدر انرژی می تواند جذب کند را می توان با دانستن ضریب جذب صدا تعیین کرد. این ضریب نشان می دهد که چه مقدار از انرژی ارتعاشات صوتی توسط 1 متر مربع مانع جذب می شود. مقدار آن از 0 تا 1 است.

واحد اندازه گیری جذب صوت نامیده می شود سابین . نام خود را از یک فیزیکدان آمریکایی گرفته است والاس کلمنت سابین، بنیانگذار آکوستیک معماری. 1 سابین انرژی است که توسط 1 متر مربع سطح جذب می شود که ضریب جذب آن 1 است. یعنی چنین سطحی باید مطلقاً تمام انرژی موج صوتی را جذب کند.

طنین

والاس سابین

خاصیت مواد برای جذب صدا در معماری بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. والاس کلمنت سابین در حین مطالعه آکوستیک سالن سخنرانی، بخشی از موزه فاگ، به این نتیجه رسید که بین اندازه سالن، شرایط آکوستیک، نوع و مساحت مواد جاذب صدا و رابطه وجود دارد. زمان طنین .

طنین فرآیند انعکاس موج صوتی از موانع و تضعیف تدریجی آن پس از خاموش شدن منبع صوت را می نامید. در یک فضای بسته، صدا می تواند به طور مکرر از دیوارها و اشیاء منعکس شود. در نتیجه، سیگنال های اکو مختلفی به وجود می آیند که هر کدام به طور جداگانه به صدا در می آیند. این اثر نامیده می شود اثر طنین .

مهمترین ویژگی اتاق این است زمان طنین ، که سابین وارد و محاسبه کرد.

جایی که V - حجم اتاق،

آ - جذب کلی صدا

جایی که یک من - ضریب جذب صدا از مواد،

اس آی - مساحت هر سطح

اگر زمان طنین طولانی باشد، به نظر می رسد صداها در سالن "سرگردان" هستند. آنها با یکدیگر همپوشانی دارند، منبع اصلی صدا را از بین می برند و سالن پررونق می شود. با زمان طنین کوتاه، دیوارها به سرعت صداها را جذب می کنند و آنها کدر می شوند. بنابراین، هر اتاق باید محاسبه دقیق خود را داشته باشد.

سابین بر اساس محاسبات خود، مواد جاذب صدا را به گونه ای مرتب کرد که "اثر اکو" کاهش یافت. و سالن سمفونی بوستون، که در طول ایجاد آن مشاور آکوستیک بود، هنوز هم یکی از بهترین سالن هادر جهان.

>>فیزیک: صدا در محیط های مختلف

برای انتشار صدا، یک محیط الاستیک مورد نیاز است. در خلاء، امواج صوتی نمی توانند منتشر شوند، زیرا چیزی برای ارتعاش وجود ندارد. این را می توان با تجربه ساده تأیید کرد. اگر زنگ الکتریکی را زیر یک زنگ شیشه ای قرار دهیم، با پمپاژ هوا از زیر زنگ، متوجه می شویم که صدای زنگ ضعیف تر و ضعیف تر می شود تا زمانی که به طور کامل قطع شود.

صدا در گازها. مشخص است که در هنگام رعد و برق، ابتدا رعد و برقی را می بینیم و تنها پس از مدتی صدای رعد و برق را می شنویم (شکل 52). این تاخیر به این دلیل رخ می دهد که سرعت صوت در هوا بسیار کمتر از سرعت نور ناشی از رعد و برق است.

سرعت صوت در هوا برای اولین بار در سال 1636 توسط دانشمند فرانسوی M. Mersenne اندازه گیری شد. در دمای 20 درجه سانتیگراد برابر با 343 متر بر ثانیه است، یعنی. 1235 کیلومتر بر ساعت توجه داشته باشید که به این مقدار است که سرعت شلیک گلوله از مسلسل کلاشینکف (PK) در فاصله 800 متری کاهش می یابد. سرعت اولیه گلوله 825 متر بر ثانیه است که به طور قابل توجهی از سرعت صوت در هوا بیشتر است. بنابراین، شخصی که صدای شلیک یا سوت گلوله را می شنود جای نگرانی نیست: این گلوله قبلاً از او عبور کرده است. گلوله از صدای شلیک پیشی گرفته و قبل از رسیدن صدا به قربانی خود می رسد.

سرعت صوت به دمای محیط بستگی دارد: با افزایش دمای هوا افزایش می یابد و با کاهش دمای هوا کاهش می یابد. در دمای صفر درجه سانتی گراد سرعت صوت در هوا 331 متر بر ثانیه است.

صدا در گازهای مختلف با سرعت های متفاوتی حرکت می کند. هر چه جرم مولکول های گاز بیشتر باشد، سرعت صوت در آن کمتر است. بنابراین، در دمای 0 درجه سانتیگراد، سرعت صوت در هیدروژن 1284 متر بر ثانیه، در هلیوم - 965 متر بر ثانیه و در اکسیژن - 316 متر بر ثانیه است.

صدا در مایعات. سرعت صوت در مایعات معمولاً از سرعت صوت در گازها بیشتر است. سرعت صوت در آب برای اولین بار در سال 1826 توسط J. Colladon و J. Sturm اندازه گیری شد. آنها آزمایشات خود را بر روی دریاچه ژنو در سوئیس انجام دادند (شکل 53). در یک قایق باروت را آتش زدند و در همان زمان زنگی را که در آب فرو رفته بود زدند. صدای این زنگ با استفاده از بوق مخصوصی که به داخل آب نیز فرو رفته بود، در قایق دیگری که در فاصله 14 کیلومتری قایق اول قرار داشت گرفته شد. بر اساس فاصله زمانی بین فلاش نور و رسیدن سیگنال صوتی، سرعت صوت در آب تعیین شد. در دمای 8 درجه سانتیگراد تقریباً 1440 متر بر ثانیه بود.

در مرز بین دو رسانه مختلف، بخشی از موج صوتی منعکس می شود و بخشی بیشتر حرکت می کند. هنگامی که صدا از هوا به آب می رسد، 99.9٪ از انرژی صوتی به عقب منعکس می شود، اما فشار در موج صوتی که به آب منتقل می شود تقریبا 2 برابر بیشتر است. سمعکماهی دقیقا به این واکنش نشان می دهد. بنابراین، برای مثال، فریادها و صداهای بالای سطح آب راهی مطمئن برای ترساندن جانداران دریایی است. شخصی که خود را زیر آب می بیند از این فریادها ناشنوا نمی شود: هنگام غوطه ور شدن در آب ، "شاخه های" هوا در گوش او باقی می ماند که او را از بار صوتی نجات می دهد.

وقتی صدا از آب به هوا می رسد، 99.9 درصد انرژی دوباره منعکس می شود. اما اگر در هنگام انتقال از هوا به آب، فشار صدا افزایش یافت، اکنون، برعکس، به شدت کاهش می یابد. مثلاً به همین دلیل است که صدایی که در زیر آب هنگام برخورد سنگی به سنگ دیگر به وجود می آید در هوا به انسان نمی رسد.

این رفتار صدا در مرز بین آب و هوا به نیاکان ما این زمینه را داد که دنیای زیر آب را «دنیای سکوت» بدانند. از این رو این عبارت: "مثل ماهی لال است." با این حال، لئوناردو داوینچی همچنین گوش دادن به صداهای زیر آب را با گذاشتن گوش خود به پارویی که در آب فرو رفته است، پیشنهاد کرد. با استفاده از این روش می توانید مطمئن شوید که ماهی ها در واقع کاملاً پرحرف هستند.

صدا در جامدات. سرعت صوت در جامدات از مایعات و گازها بیشتر است. اگر گوش خود را روی ریل بگذارید، پس از برخورد به انتهای دیگر ریل، دو صدا می شنوید. یکی از آنها از طریق راه آهن به گوش شما می رسد و دیگری از طریق هوا.

زمین رسانایی صوتی خوبی دارد. بنابراین، در زمان های قدیم، در هنگام محاصره، "شنوندگان" را در دیوارهای قلعه قرار می دادند که با صدایی که از زمین منتقل می شد، می توانستند تشخیص دهند که آیا دشمن در دیوارها حفاری می کند یا خیر. آنها با گوش دادن به زمین، نزدیک شدن سواره نظام دشمن را نیز زیر نظر گرفتند.

جامدات صدا را به خوبی هدایت می کنند. به لطف این، افرادی که شنوایی خود را از دست داده اند، گاهی اوقات می توانند با موسیقی برقصند که نه از طریق هوا و گوش خارجی، بلکه از طریق کف و استخوان به اعصاب شنوایی آنها می رسد.

1. چرا هنگام رعد و برق ابتدا رعد و برق را می بینیم و تنها پس از آن رعد و برق می شنویم؟ 2. سرعت صوت در گازها به چه چیزی بستگی دارد؟ 3. چرا فردی که در ساحل رودخانه ایستاده است صداهایی را که زیر آب می آید نمی شنود؟ 4. چرا «شنوندگان» که در زمان‌های قدیم حفاری‌های دشمن را زیر نظر داشتند، اغلب افراد نابینا بودند؟

کار آزمایشی . یک تخته (یا خط کش چوبی بلند) را در یک انتهای آن قرار دهید ساعت مچی، گوش خود را به انتهای دیگرش بگذارید. چه می شنوید؟ پدیده را توضیح دهید.

S.V. گروموف، N.A. رودینا، فیزیک هشتم

ارسال شده توسط خوانندگان از سایت های اینترنتی

برنامه ریزی فیزیک، طرح درس فیزیک، برنامه درسی مدرسه، کتاب و کتاب فیزیک پایه هشتم، دروس و تکالیف فیزیک پایه هشتم

محتوای درس یادداشت های درسیفن آوری های تعاملی روش های شتاب ارائه درس فریم پشتیبانی می کند تمرین کارها و تمرینات کارگاه های خودآزمایی، آموزش ها، موارد، کوئست ها سوالات بحث تکلیف سوالات بلاغی از دانش آموزان تصاویر صوتی، کلیپ های ویدئویی و چند رسانه ایعکس، عکس، گرافیک، جداول، نمودار، طنز، حکایت، جوک، کمیک، تمثیل، گفته ها، جدول کلمات متقاطع، نقل قول افزونه ها چکیده هاترفندهای مقاله برای گهواره های کنجکاو کتاب های درسی پایه و فرهنگ لغت اضافی اصطلاحات دیگر بهبود کتب درسی و دروستصحیح اشتباهات کتاب درسیبه روز رسانی یک قطعه در کتاب درسی، عناصر نوآوری در درس، جایگزینی دانش منسوخ شده با دانش جدید فقط برای معلمان درس های کاملبرنامه تقویم برای سال دستورالعمل هابرنامه های بحث و گفتگو دروس تلفیقی

از نقطه نظر فیزیک، صدا یک ارتعاش مکانیکی است که در یک رسانه منتشر می شود.

تجربه 1

فرکانس صدا چگونه به طول جسم ارتعاشی بستگی دارد؟
یک خط کش پلاستیکی یا فلزی انعطاف پذیر روی میز قرار دهید تا حدود سه چهارم از لبه میز امتداد داشته باشد.
یک لبه خط کش را با دست محکم به میز فشار دهید. با دست دیگر، لبه آزاد خط کش را به سمت پایین خم کرده و رها کنید.
به صدایی که می دهد گوش دهید و به سرعت ارتعاش انتهای آزاد خط کش توجه کنید.

یک لیوان بدون کف روی اسپیکر قرار دهید. رادیو را با صدای کم روشن کنید و به دنبال تداخل رادیویی در هوا باشید. صدای ثابت یک تن را خواهید شنید. تعیین کنید که کنترل صدا برای صداهای کم، متوسط ​​و بلند باید در چه موقعیتی قرار گیرد. رادیو را خاموش کنید و یک دانه برنج را روی مربع مرکزی کاغذ مومی (روی X) قرار دهید.

رادیو را روشن کنید و صدا را کم کنید. تمام حرکات دانه برنج را از میدان مرکزی دنبال کنید.

آزمایش خود را با صدای متوسط ​​و بلند تکرار کنید.
رابطه بین بلندی صدا و انرژی امواج صوتی را ارزیابی کنید.

تجربه 4

صدا می تواند در مواد جامد، مایع یا گاز حرکت کند.
چگونه می توان کارایی انتشار صدا را در گاز و جامد مقایسه کرد؟

یک ساعت مچی معمولی بردارید.
ابتدا ساعت را از فاصله دور نگه دارید طول بازو. به آرامی ساعت را به سمت گوش خود ببرید تا اولین تیک ضعیف را بشنوید. در این حالت فاصله ساعت تا گوش را اندازه بگیرید.

سپس گوش خود را روی میز فشار دهید و ساعت را به اندازه ی بازو از گوش خود روی میز قرار دهید. گوش کنید تا ببینید آیا می توانید تیک تاک ساعت را بشنوید. اگر صدای تیک تاک در این موقعیت شنیدید، از دستیار خود بخواهید به آرامی ساعت را دورتر کند تا زمانی که صدای تیک تاک ضعیف شود.

اگر صدای تیک تاک ساعت را در طول بازو نمی شنوید، به آرامی ساعت را به سمت خود حرکت دهید و موقعیتی را پیدا کنید که بتوانید آن را بشنوید. فاصله ساعت تا گوش خود را اندازه بگیرید و آن را با فاصله ای که می توانید صدای تیک تاک ضعیف ساعت را در حین گوش دادن به آن در هوا بشنوید مقایسه کنید.

تجربه 5

صدا چگونه در آب حرکت می کند؟
یک ساعت مچی معمولی بردارید، آن را در یک کیسه پلاستیکی کامل قرار دهید، کیسه را محکم ببندید تا آب وارد نشود. یک طناب به کیسه ببندید و آن را داخل یک آکواریوم با آب پایین بیاورید.

کیسه با ساعت باید در وسط راه بین کف و سطح آب، نزدیک به دیوار آکواریوم قرار گیرد. گوش خود را به دیوار مقابل آکواریوم فشار دهید.

اگر صدای تیک تاک ساعت را می شنوید، فاصله آن را اندازه بگیرید. اگر نه، از دستیارتان بخواهید ساعت را به سمت شما حرکت دهد تا زمانی که صدای تیک تاک آن را بشنوید.این فاصله را اندازه بگیرید. این فاصله را با فاصله هایی که در آزمایش قبلی به دست آوردید مقایسه کنید.