دیاپازون: چنگالی که آواز میخواند
صدای خالص از کجا میآید؟ ساختار و مکانیسم
دیاپازون معمولاً از فولاد ساخته میشود و شکلی شبیه به یک چنگال دو شاخه دارد. این دو شاخه به یک پایه متصل هستند. وقتی به یکی از شاخهها ضربه ملایمی میزنید، هر دو شاخه شروع به لرزش سریع به سمت داخل و خارج میکنند. این لرزش، مولکولهای هوای اطراف خود را مرتعش کرده و یک موج صوتی خاص تولید میکند.
صدای تولیدشده توسط دیاپازون، یک موج سینوسی خالص است. یعنی فقط یک بسامد مشخص دارد و برخلاف صدای پیانو یا گیتار که ترکیبی از چندین بسامد (نت پایه و هارمونیکها) است، بسیار ساده و خالص به گوش میرسد. به همین دلیل معیار دقیقی برای کوک کردن سایر سازهاست. بسامد استاندارد یک دیاپازون رایج، نت «لا»4 برابر با 440 هرتز5 است. یعنی شاخههای آن در هر ثانیه 440 بار به جلو و عقب نوسان میکنند.
انواع دیاپازون: از موسیقی تا پزشکی
دیاپازونها بر اساس کاربرد و بسامدشان انواع مختلفی دارند. در جدول زیر برخی از پرکاربردترین آنها را میبینید:
| نوع / نام | بسامد (هرتز) | کاربرد اصلی | توضیح |
|---|---|---|---|
| دیاپازون استاندارد موسیقی | 440 (گاه 442) | کوک کردن سازها | نت «لا»ی میانی را مشخص میکند. همه نوازندگان ساز خود را با این نت هماهنگ میکنند. |
| دیاپازونهای آزمایشگاهی مجموعهای | متنوع (مثلاً 256, 512, 1024) | آزمایشهای فیزیک صوت در مدارس | برای نشان دادن پدیدههایی مثل تشدید، تداخل امواج و اندازهگیری سرعت صوت استفاده میشوند. |
| دیاپازون پزشکی (شنواییسنجی) | معمولاً 128 و 512 | آزمونهای اولیه شنوایی | با قرار دادن آن روی سر، ارتعاش را از طریق استخوان منتقل میکنند تا سلامت گوش میانی و داخلی بررسی شود. کاربرد کلینیکی |
| دیاپازون کوک پیانو | یک مجموعه از 12 نت | کوک حرفهای پیانو | یک مجموعه چنگالی که هر کدام یکی از نتهای اکتاو میانی را تولید میکنند تا کوک کامل پیانو ممکن شود. |
جادوی تشدید: وقتی صدا چند برابر میشود
یکی از جالبترین پدیدههایی که با دیاپازون میتوان نشان داد، تشدید6 است. اگر یک دیاپازون را به صدا درآورید و آن را نزدیک یک دیاپازون دیگر (با همان بسامد) که ساکت است قرار دهید، پس از چند ثانیه دیاپازون دوم نیز بدون اینکه لمس شود شروع به صدا کردن میکند!
علت این است که امواج صوتی دیاپازون اول، هوا را مرتعش میکند. این ارتعاشات به شاخههای دیاپازون دوم میرسد. اگر بسامد این ارتعاشات با بسامد طبیعی دیاپازون دوم دقیقاً یکسان باشد، انرژی به طور مؤثری منتقل شده و دامنه نوسان دیاپازون دوم کمکمکان افزایش مییابد و صدای آن را میشنویم. به این بسامد، «بسامد طبیعی» یا «بسامد تشدید» جسم میگویند.
این پدیده فقط برای صدا نیست. اگر یک نفر روی طنابی که به درختی بسته شده، با ریتم مشخصی به جلو و عقب فشار وارد کند (مانند تاب خوردن)، بعد از چند بار، طناب با دامنه زیادی شروع به نوسان میکند. این نیز تشدید است. در مهندسی، جلوگیری از تشدید ناخواسته (مثلاً در پلها یا ساختمانها) بسیار مهم است تا سازهها فرونریزند.
یک آزمایش کلاسی: اندازهگیری سرعت صوت با دیاپازون
حالا بیایید از این مفاهیم در یک آزمایش عملی استفاده کنیم. فرض کنید میخواهیم سرعت صوت در هوا را با کمک یک دیاپازون با بسامد مشخص، مثلاً 512 هرتز، و یک لوله شیشهای که یک طرف آن باز است اندازه بگیریم.
روش کار: دیاپازون را بالای لوله به صدا درمیآوریم. همزمان، سطح آب در لوله را کم و زیاد میکنیم (با استفاده از یک مخزن متحرک). در یک ارتفاع خاص از ستون هوا داخل لوله، صدای دیاپازون به طور محسوسی بلندتر میشود. این اتفاق وقتی میافتد که طول ستون هوا برابر با یکچهارم طول موج7 صدا باشد. در این نقطه، موج صوتی در لوله تشدید میکند.
با اندازهگیری طول ستون هوا ($ L $) و دانستن بسامد ($ f $)، میتوانیم سرعت صوت ($ v $) را حساب کنیم. در سادهترین حالت رابطه این است: $ v = 4 \times L \times f $.
مثال عددی: اگر دیاپازون 512 هرتزی باشد و تشدید وقتی اتفاق بیفتد که طول ستون هوا 0.167 متر باشد، آنگاه:
$ v = 4 \times 0.167 \times 512 \approx 342 $ متر بر ثانیه.
این عدد نزدیک به سرعت صوت در هوای اتاق (340 تا 343 متر بر ثانیه) است.
پرسشهای رایج و تصورات نادرست
خیر. همانطور که دیدیم، دیاپازون در پزشکی (بررسی شنوایی از طریق استخوان)، آموزش فیزیک (آزمایشهای موج و صوت) و حتی در برخی وسایل الکترونیکی قدیمی به عنوان مولد بسامد پایه استفاده میشده است. دقت و سادگی آن، کاربردهای متنوعی را ممکن ساخته است.
خیر. نیروی ضربه فقط دامنه (بلندی) نوسان را تغییر میدهد، نه بسامد آن را. بسامد فقط به جنس، شکل و اندازه فیزیکی دیاپازون بستگی دارد. با این حال، اگر ضربه خیلی شدید باشد و شکل آن را تغییر دهد (مثلاً آن را خم کند)، آنگاه بسامدش عوض میشود، اما این یک آسیب است نه عملکرد طبیعی.
پایه (که معمولاً یک میله کوتاه است) چند نقش دارد: اولاً، نگه داشتن راحت آن را ممکن میکند. ثانیاً، وقتی دیاپازون مرتعش است و پایه آن را روی یک سطح سخت مانند میز یا جعبهای چوبی قرار دهید، آن سطح هم به ارتعاش درآمده و صدای تولیدشده تقویت و طولانیتر میشود. این به خاطر انتقال بهتر انرژی از فلز به سطح با مساحت بیشتر است.
پاورقی
1 دیاپازون (Tuning Fork): ابزاری فلزی و دو شاخه برای تولید صدایی با بسامد دقیق و ثابت.
2 بسامد (Frequency): تعداد نوسانات کامل یک موج در هر ثانیه، بر حسب هرتز (Hz) اندازهگیری میشود.
3 کوک (Tuning): تنظیم یک ساز موسیقی برای تولید نتهایی با بسامد صحیح.
4 نت «لا» (A4): نام نت موسیقی با بسامد استاندارد 440 هرتز.
5 هرتز (Hertz): واحد اندازهگیری بسامد، به نام هاینریش هرتز، فیزیکدان آلمانی.
6 تشدید (Resonance): پدیدهای که در آن یک سیستم با بسامد طبیعی مشخص، زمانی که در معرض نوسانات همبسامد خارجی قرار میگیرد، با دامنه بیشتری نوسان میکند.
7 طول موج (Wavelength): فاصله بین دو نقطه تکراری متوالی در یک موج، مثلاً فاصله بین دو قله پشت سر هم.
