متفرقات

صوت | الخصائص والأنواع والحقائق

الصوت ، اضطراب الميكانيكية من حالة التوازن التي تنتشر من خلال وسيلة مادية مرونة. من الممكن أيضًا تعريف شخصي بحت للصوت ، مثل ذلك الذي تدركه الأذن ، ولكن هذا التعريف ليس منيرًا بشكل خاص وهو مقيد بشكل مفرط ، لأنه من المفيد التحدث عن الأصوات التي لا يمكن أن تسمعها الأذن البشرية ، مثل مثل تلك التي تنتجها صفارات الكلاب أو معدات السونار .

عالم الفيزياء الإيطالي Guglielmo Marconi يعمل في غرفة اللاسلكي في يخته Electra ، ج.  1920.
مسابقة بريتانيكا
كل شيء عن مسابقة الفيزياء
من كان أول عالم أجرى تجربة تفاعل تسلسلي نووي مضبوط؟ ما هي وحدة قياس الدورات في الثانية؟ اختبر فطنتك الفيزيائية مع هذا الاختبار.

يجب أن تبدأ دراسة الصوت بخصائص الصوت موجات . هناك نوعان أساسيان من الموجات ،عرضية وطولية ، متمايزة بالطريقة التي تنتشر بها الموجة . في الموجة المستعرضة ، مثل الموجة المتولدة في حبل ممتد عندما يتذبذب أحد طرفيه ذهابًا وإيابًا ، تكون الحركة التي تشكل الموجة عمودية أو عرضية على الاتجاه (على طول الحبل) الذي تتحرك فيه الموجة. يتم إنشاء عائلة مهمة من الموجات المستعرضة بواسطة مصادر كهرومغناطيسية مثل الضوء أو الراديو ، حيث تتأرجح المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تشكل الموجة بشكل عمودي على اتجاه الانتشار .

ينتشر الصوت عبر الهواء أو غيره من الوسائط كملف الموجة الطولية ، حيث يحدث الاهتزاز الميكانيكي المكون للموجة على طول اتجاه انتشار الموجة. يمكن إنشاء موجة طولية في زنبرك ملفوف عن طريق ضغط العديد من المنعطفات معًا لتشكيل aالضغط ثم إطلاقها ، مما يسمح للضغط بالسفر بطول الزنبرك. يمكن النظر إلى الهواء على أنه يتكون من طبقات مماثلة لمثل هذه الملفات ، مع انتشار موجة صوتية كطبقات من الهواء "تدفع" و "تسحب" في بعضها البعض مثل الضغط الذي يتحرك إلى أسفل الزنبرك.

وبالتالي تتكون الموجة الصوتية من ضغطات متناوبة و نادرة ، أو مناطق عاليةالضغط و الضغط المنخفض ، والانتقال بسرعة معينة. بعبارة أخرى ، يتكون من تغير دوري (أي يتأرجح أو يهتز) للضغط يحدث حول ضغط التوازن السائد في وقت ومكان معينين. يتم تمثيل ضغط التوازن والتغيرات الجيبية الناتجة عن مرور موجة صوتية نقية (أي موجة بتردد واحد) في الشكل 1 أ و 1 ب ، على التوالي.

احصل على اشتراك Britannica Premium وتمتع بالوصول إلى محتوى حصري إشترك الآن

موجات الطائرة

يمكن أن تبدأ مناقشة الموجات الصوتية وانتشارها بفحص موجة مستوية من a تردد واحد يمر عبر الهواء. الموجة المستوية هي موجة تنتشر عبر الفضاء كمستوى ، وليس كمجال ذي نصف قطر متزايد. على هذا النحو ، فهو لا يمثل الصوت تمامًا (انظر أدناه الموجات الدائرية والكروية ). يمكن سماع موجة من التردد الفردي كصوت نقي مثل ذلك الناتج عن الشوكة الرنانة التي تم ضربها برفق. كنموذج نظري ، فإنه يساعد في توضيح العديد من خصائص الموجة الصوتية.

الطول الموجي ،الفترة وتردد

الشكل 1 ج هو تمثيل آخر للموجة الصوتية موضحة في الشكل 1 ب . كما يمثله المنحنى الجيبي ، فإن تغير الضغط في الموجة الصوتية يكرر نفسه في الفضاء على مسافة معينة. تُعرف هذه المسافة بالطول الموجي للصوت ، ويقاس عادةً بالأمتار ويمثله λ. عندما تنتشر الموجة عبر الهواء ، يستغرق طول موجي كامل فترة زمنية معينة لتمرير نقطة معينة في الفضاء ؛ عادة ما يتم قياس هذه الفترة ، التي يمثلها T ، في أجزاء من الثانية. بالإضافة إلى ذلك ، خلال كل فترة زمنية مدتها ثانية واحدة ، يمر عدد معين من الأطوال الموجية بنقطة في الفضاء. المعروف بتردد الموجة الصوتية ، يتم قياس عدد الأطوال الموجية التي تمر في الثانية بشكل تقليديhertz أو kilohertz ويمثلها f .

هناك علاقة عكسية بين تردد الموجة ودورتها ، هكذاالمعادلات.

هذا يعني أن الموجات الصوتية ذات الترددات العالية لها فترات قصيرة ، بينما الموجات ذات الترددات المنخفضة لها فترات طويلة. على سبيل المثال ، موجة صوتية بتردد 20 هرتز سيكون لها فترة 0.05 ثانية ( أي 20 طول موجي / ثانية × 0.05 ثانية / طول موجي = 1) ، بينما موجة صوتية 20 كيلو هرتز سيكون لها فترة 0.00005 ثانية ( 20000 طول موجي / ثانية × 0.00005 ثانية / الطول الموجي = 1). بين 20 هرتز و 20 كيلوهرتز يقع نطاق تردد السمعالبشر . يُنظر إلى الخاصية الفيزيائية للتردد من الناحية الفسيولوجية على أنهاالملعب ، بحيث كلما زاد التردد ، زادت درجة الصوت المتصورة. هناك أيضًا علاقة بين الطول الموجي للموجة الصوتية وترددها أو مدتها وسرعة الموجة ( S ) ، بحيث

معادلة.

السعة والشدة

القيم الرياضية

قيمة توازن الضغط ، ممثلة بالخطوط المتباعدة بشكل متساوٍ في الشكل 1 أ ومحور الرسم البياني في الشكل 1 ج ، تساوي الضغط الجوي الذي سيسود في غياب الموجة الصوتية. مع مرور الانضغاطات والخلخلة التي تشكل الموجة الصوتية ، قد يحدث تذبذب فوق وتحت الضغط الجوي. يُعرف حجم هذا التقلب من التوازن بسعة الموجة الصوتية ؛ تقاسباسكال أونيوتن لكل متر مربع ، يمثله الحرف أ . يمكن وصف إزاحة أو اضطراب الموجة الصوتية المستوية رياضيًا من قبل العاممعادلة حركة الموجة ، والتي تتم كتابتها بصيغة مبسطة على النحو التالي:معادلة.

تصف هذه المعادلة موجة جيبية تكرر نفسها بعد مسافة λ تتحرك إلى اليمين (+ س ) بسرعة معطاة في المعادلة (2).

تحدد سعة الموجة الصوتية شدتها ، والتي بدورها تدركها الأذن على أنها جهارة صوت . تُعرّف الكثافة الصوتية بأنها متوسط ​​معدل نقل الطاقة لكل وحدة مساحة متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة. يمكن كتابة علاقتها بالسعة كـمعادلة.أين ρ هو التوازنكثافة الهواء (تقاس بالكيلوجرام لكل متر مكعب) و S هي سرعة الصوت (بالأمتار في الثانية). يتم قياس الشدة ( I ) بـالواط لكل متر مربع ، الواط هو الوحدة القياسية للطاقة في الاستخدام الكهربائي أو الميكانيكي.

قيمة ال يُعطى الضغط الجوي في ظل "الظروف الجوية القياسية" بشكل عام على أنه حوالي 10 5 باسكال ، أو 10 5 نيوتن لكل متر مربع. الحد الأدنى اتساع التباين الضغط الذي يمكن أن تشعر به الأذن البشرية حوالي 10 -5 باسكال ، واتساع الضغط على عتبة الألم حوالي 10 باسكال، وبالتالي فإن الاختلاف الضغط في موجات الصوت هو صغير جدا مقارنة مع ضغط في الجو . في ظل هذه الظروف ، تنتشر الموجة الصوتية بطريقة خطية - أي أنها تستمر في الانتشارمن خلال الهواء مع القليل جدًا من الفقد أو التشتت أو تغيير الشكل. ومع ذلك ، عندما يصل اتساع الموجة إلى حوالي 100 باسكال (حوالي واحد في الألف من ضغط الغلاف الجوي) ، تتطور اللاخطية الهامة في انتشار الموجة.

تنشأ اللاخطية من التأثيرات الغريبة على ضغط الهواء الناتجة عن الإزاحة الجيبية لجزيئات الهواء. عندما تكون الحركة الاهتزازية التي تشكل الموجة صغيرة ، فإن الزيادة والنقصان في الضغط تكون أيضًا صغيرة وتكون متساوية جدًا تقريبًا. ولكن عندما تكون حركة الموجة كبيرة ، فإن كل ضغط يولد ضغطًا زائدًا بسعة أكبر من انخفاض الضغط الناتج عن كل خلخلة. هذا يمكن توقعه من قبلقانون الغاز المثالي ، الذي ينص على أن زيادة حجم الغاز بمقدار النصف يقلل ضغطه بمقدار الثلث فقط ، بينما يؤدي تقليل حجمه بمقدار النصف إلى زيادة الضغط بمقدار ضعف. والنتيجة هي زيادة صافية في الضغط - وهي ظاهرة مهمة فقط للموجات ذات الاتساع فوق حوالي 100 باسكال.