موج صوتی: سفری در دنیای نامرئی صدا
صدا چگونه متولد میشود و سفر میکند؟
برای درک موج صوتی، فرض کنید در یک استخر آب ایستادهاید. اگر یک سنگ را به داخل آب بیندازید، دایرههای متحدالمرکزی روی سطح آب پخش میشوند. این امواج، انرژی ناشی از برخورد سنگ را به گوشههای استخر میبرند. تولید صوت نیز شبیه به همین اتفاق است، اما به جای سطح آب، در حجم هوا رخ میدهد. وقتی شما صحبت میکنید، تارهای صوتی4 در گلوی شما به لرزش درمیآیند. این لرزش، مولکولهای هوای اطراف خود را میفشارد (منطقهی تراکم) و سپس از هم دور میکند (منطقهی تخلخل). هر مولکول، این حرکت فشردهشدن و بازشدن را به مولکول کناری خود منتقل میکند و به همین ترتیب، موج صوتی مانند موج دومینو در هوا پیشروی میکند تا به پردهی گوش5 شنونده برسد.
کلیدواژهای که اینجا مهم است، «موج مکانیکی» است. یعنی موجی که برای انتقال به تغییر شکل فیزیکی یا حرکت ذرات یک ماده نیاز دارد. این برخلاف امواج الکترومغناطیسی مانند نور است که میتواند در خلا نیز حرکت کند.
شناسنامهی یک موج صوتی: بسامد، دامنه و سرعت
هر موج صوتی را میتوان با چند ویژگی مهم شناخت. این ویژگیها، تفاوت بین صدای یک ویولن و طبل، یا صدای آرام و بلند را تعیین میکنند.
| ویژگی | تعریف ساده | تأثیر بر حس شنوایی | واحد اندازهگیری |
|---|---|---|---|
| بسامد6 | تعداد نوسانهای کامل منبع صدا در یک ثانیه | تعیین کنندهی زیر و بمی صدا. بسامد بالا = صدای زیر (مثل جیرجیرک). بسامد پایین = صدای بم (مثل طبل بزرگ). | هرتز (Hz) |
| دامنه7 | بیشینه جابجایی ذرات از نقطهی تعادل (میزان «شدت» لرزش) | تعیین کنندهی بلندی (شدت) صدا. دامنه بزرگتر = صدای بلندتر. دامنه کوچکتر = صدای آرامتر. | معمولاً بر حسب دسیبل (dB) بیان میشود. |
| سرعت صوت | سرعت حرکت موج صوتی در یک ماده | مستقیم بر حس شنوایی تأثیر نمیگذارد، اما دلیل تأخیر در شنیدن صدای رعدوبرق یا پژواک8 است. | متر بر ثانیه (m/s) |
رابطهی سرعت، بسامد و طول موج با یک فرمول ساده بیان میشود: $ v = f \lambda $ که در آن $ v $ سرعت موج، $ f $ بسامد و $ \lambda $ (لاندا) طول موج است. طول موج، فاصلهی بین دو تراکم یا دو تخلخل پشتسرهم است. مثلاً صدای زیر (بسامد بالا) طول موج کوتاهتری دارد.
سرعت صوت در مواد مختلف، متفاوت است. صوت در مواد چگالتر و سختتر، سریعتر حرکت میکند چون مولکولها نزدیکترند و راحتتر لرزش را منتقل میکنند. سرعت صوت در هوا (در دمای اتاق) حدود 343 m/s، در آب حدود 1482 m/s و در فولاد حدود 5960 m/s است.
از گوش انسان تا سونار: کاربردهای موج صوتی در زندگی
درک امواج صوتی تنها یک بحث علمی نیست. این دانش، پایهی بسیاری از فناوریهای اطراف ماست.
شنوایی: گوش انسان یک مبدل باورنکردنی است. موج صوتی پس از عبور از مجرای گوش، به پردهی گوش برخورد میکند و آن را میلرزاند. این لرزش از طریق استخوانچههای کوچک به گوش داخلی و سپس به حلزون گوش9 منتقل میشود. در حلزون، سلولهای مویی ریز وجود دارند که لرزشهای متفاوت (بسامدهای مختلف) را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل کرده و به مغز میفرستند. مغز این سیگنالها را به عنوان صدا تفسیر میکند.
سونار و اکولوکیشن: بعضی از حیوانات مانند خفاشها و دلفینها از پدیدهی پژواک برای جهتیابی و شکار استفاده میکنند. آنها صدایی با بسامد بالا (ماوراء صوت) تولید میکنند و با گوش دادن به بازگشت پژواک آن، فاصله، اندازه و شکل اجسام را تشخیص میدهند. انسان نیز از همین اصل در فناوری سونار10 استفاده میکند. زیردریاییها با ارسال پالسهای صوتی و زمانسنجی بازگشت آن، نقشهی کف دریا را ترسیم یا موقعیت سایر اجسام را پیدا میکنند.
تصویربرداری پزشکی: در سونوگرافی11، از امواج صوتی با بسامد بسیار بالا (فراصوت) استفاده میشود که برای انسان قابل شنیدن نیست. این امواج به درون بدن فرستاده میشوند و با بازگشت از مرز بین بافتهای مختلف (مثل عضله و استخوان)، تصویری از درون بدن ایجاد میکنند. این روش برای بررسی جنین در دوران بارداری کاملاً ایمن است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. فضای بین سیارات تقریباً خلا کامل است. موج صوتی یک موج مکانیکی است و برای انتشار به ماده (ذرات) نیاز دارد. بنابراین در فضا هیچ صدایی منتقل نمیشود. انفجارهای عظیم ستارهها در سکوت مطلق رخ میدهند.
پاسخ: خیر. در یک محیط ثابت (مثلاً هوای یک اتاق)، سرعت صوت برای تمام بسامدها و دامنهها ثابت است. سرعت صوت فقط به جنس و دمای محیط بستگی دارد. صدای یک سوت آرام و فریاد بلند شما با همان سرعت به گوش شنونده میرسند، اما انرژی و فشار متفاوتی را به گوش وارد میکنند.
پاسخ: گوش انسان معمولاً میتواند صداهای با بسامد بین 20 Hz تا 20,000 Hz (20 kHz) را بشنود. به صداهای بالاتر از این ماوراء صوت12 و به صداهای پایینتر فروصوت13 گفته میشود. حیوانات محدودههای متفاوتی دارند. مثلاً سگها میتوانند تا حدود 45 kHz و خفاشها تا بیش از 100 kHz را بشنوند. از این ویژگی در سوتهای مخصوص سگها استفاده میشود.
پاورقی
1 موج صوتی (Sound Wave)
2 مکانیکی (Mechanical Wave)
3 طولی (Longitudinal Wave): موجی که جهت نوسان ذرات محیط موازی با جهت انتشار موج است.
4 تارهای صوتی (Vocal Cords)
5 پرده گوش (Eardrum یا Tympanic Membrane)
6 بسامد یا فرکانس (Frequency)
7 دامنه (Amplitude)
8 پژواک (Echo)
9 حلزون گوش (Cochlea)
10 سونار (SONAR: Sound Navigation and Ranging)
11 سونوگرافی (Ultrasonography)
12 ماوراء صوت (Ultrasound)
13 فروصوت (Infrasound)
