پدیده صدا و امواج صوتی

علوم مرتبط با پدیده‌ی صدا

امواج صوتی مبنای مطالعات بیشماری در بسیاری از زمینه‌هاست و دانشمندان و متخصصان علوم متعددی روی جنبه‌های مختلف پدیده‌ی صدا کار می‌کنند. برای نمونه:

• زیرشاخه‌ای از علم فیزیک با نام Acoustics یا صداشناسی وجود دارد که متخصصین این رشته که acoustician نامیده می‌شوند، در حوزه‌هایی مانند پردازش سیگنال‌های صوتی، کاربردهای فروصوت و فراصوت و کنترل نویز محیطی فعالیت می‌کنند.
• از نظر فیزیولوژی انسانی، صدا یک نوع احساس (sensation) است که باعث تحریک مکانیزم شنوایی می‌شود. در واقع، صحبت در مورد عملکرد گوش و تبدیل امواج دریافتی به عنوان سیگنال‌های عصبی و ارسال برای تفسیر توسط مغز، در حیطه‌ی علم فیزیولوژی انسانی قرار می‌گیرد. فیزیولوژیست‌ها در پی بررسی مواردی مانند مکانیزم تکلم، رفع نواقص گفتاری، بهبود ضعف شنوایی و حتی نحوه‌ی تولید خرناس هستند.
• برای مهندسین هوانوردی مسائلی مثل امواج شوکی حاصل از هواپیماهای اَبَرصوتی و سر و صداهایی که هواپیماها در مجتمع‌های اطراف فرودگاه‌ها ایجاد می‌کنند، مطرح است.
• برخی از پژوهشگران پزشکی به دنبال آن‌اند که بدانند چگونه صداهای ایجاد شده توسط قلب و ریه می‌تواند نشانه‌ای از یک مشکل پزشکی در بیمار باشد.
• گروهی از باستان‌شناسان در پی آن‌اند که چگونه ممکن است فسیل دایناسورها، نحوه‌ی ایجاد صدا توسط آنها را آشکار سازد.
• مهندسین نظامی به دنبال آن‌اند که سربازان بتوانند با شنیدن صدای شلیکی از خفا، مکان شلیک‌کننده را تشخیص دهند.

از آنحایی که صداها به صورت امواج مکانیکی در محیط منتشر می‌شوند، بحث در مورد نحوه‌ي تولید صدا و انتشار آن در محیط و مسیری که تا رسیدن به یک گیرنده مانند گوش انسان طی می‌کند، به علم فیزیک و مبحث امواج مکانیکی مربوط است. بنابراین، برای بررسی ماهیت پدیده‌ی صدا و ویژگی‌های آن ناچاریم سری به دنیای فیزیک و موضوع امواج مکانیکی بزنیم.

فیزیک امواج

یکی از موضوعات اصلی علم فیزیک، امواج (Waves) است. امواج از ایجاد تپ یا pulse در یک محیط یا ماده که از نظر فنی رسانه یا Medium نامیده می‌شود و تکرار تناوبی این اختلالات، به وجود می‌آیند. فیزیکدان‌ها امواج را در سه گروه طبقه‌بندی می‌کنند:

• امواج مکانیکی: با این امواج بیش از دو گروه دیگر آشنا هستیم؛ چون همیشه با آنها در تماسیم. امواج آب، امواج لرزه‌ای و البته امواج صوتی همگی از نوع امواج مکانیکی هستند. امواج مکانیکی دو مشخصه‌ی مهم دارند: یکی اینکه تابع قوانین نیوتون هستند و دیگری اینکه فقط می‌توانند در محیط‌های مادی مانند آب و هوا و سنگ وجود داشته باشند. یعنی امواج مکانیکی نمی‌توانند در خلأ منتشر شوند و به همین دلیل است که در فضا صدا وجود ندارد.
• امواج الکترومغناطیسی: آشنایی ما با این موج‌ها کمتر است اما همواره از آنها استفاده می‌کنیم. نورهای مرئی و فرابنفش، امواج رادیویی و تلویزیونی، میکروموج‌ها، پرتوهای X و موج‌های رادار مثال‌هایی از امواج الکترومغناطیسی هستند. این امواج به محیط مادی نیاز ندارند. برای مثال، امواج نوری ستارگان با عبور از خلأ به ما می‌رسند. سرعت انتشار همه‌ی این امواج در خلأ یکسان و برابر با 299792458 متر بر ثانیه (نزدیک به 300000 کیلومتر بر ساعت) است که از آن با عبارت سرعت نور در خلأ یاد می‌شود.
• امواج ماده: طبیعی است که این امواج برای اغلب ما ناشناخته باشند؛ چون به الکترون‌ها، پروتون‌ها و سایر ذرات بنیادی مربوط هستند و معمولاً در فناوری‌های نوین به کار می‌روند.

با توجه به اینکه امواج صوتی از نوع امواج مکانیکی محسوب می‌شوند، در ادامه بحث خودمان را به این نوع از امواج محدود می‌کنیم.

امواج مکانیکی

امواج مکانیکی به وفور در طبیعت دیده می‌شوند و شاید بارزترین نمونه از این امواج در طبیعت، امواج آب باشد؛ مثلاً امواجی که در آب دریا حرکت می‌کنند. اما موج‌های مکانیکی می‌توانند در اجسام سخت و جامد نیز ایجاد شوند که البته این امر نیازمند انرژی بیشتری است. به عنوان مثال، یک زمین‌لرزه می‌تواند انرژی لازم برای ایجاد موج در سنگ‌ها و صخره‌های زمین را آزاد کند. حتی پدیده‌ای مثل سونامی در اثر آزاد شدن انرژی زیادی که معمولاً ‌ناشی از یک زمین‌لرزه یا فوران یک آتشفشان در زیر آب است و ایجاد موج‌های ویرانگر، ایجاد می‌شود. علاوه بر مایعات و جامدات، امواج می‌توانند در گازها (مانند هوا) و حتی در پلاسما (شکل چهارم ماده) نیز ایجاد شوند.

امواج مکانیکی را می‌توان در دو گروه امواج عرضی (transverse) و امواج طولی (longitudinal) قرار داد. امواج عرضی که امواج متقاطع نیز نامیده می‌شوند، امواجی هستند که جهت حرکت آنها عمود بر جهت حرکت ذرات محیط یا رسانه‌ای است که در آن حرکت می‌کنند. اگر به امواج دریا نگاه کنید، می‌بینید که آنها در جهت عمود بر جهت حرکت آب حرکت می‌کنند و لذا این امواج از نوع عرضی هستند. اما از طرف دیگر، در یک موج طولی جهت حرکت موج با جهت حرکت ذرات محیط یکسان است. بارزترین نمونه از امواج طولی امواج صوتی هستند.

یک موج عرضی همانند آنچه در شکل زیر نشان داده شده، در جهت عمود بر جهت حرکت ذرات محیط حرکت می‌کند و دارای نقاط قله (crest) و حضیض (trough) است. این نقاط را می‌توانیم معادل نقاط اکسترمم نسبی منحنی توابع در نظر بگیریم. در این نقاط از موج، بیشترین و کمترین میزان اختلال یا فاصله نسبت به وضع تعادل در محیط ایجاد شده است.

اما در مورد امواج طولی، همانطور که در شکل زیر نیز مشخص است، به جای نقاط قله و حضیض ما با نواحی فشرده‌سازی‌شده و آزاد‌سازی‌شده مواجه هستیم. هر ناحیه‌ای از موج طولی که ذرات به هم نزدیکتر باشند یک فشرده‌سازی (compression) و هر ناحیه‌ای که فاصله‌ی ذرات از یکدیگر بیشتر باشد یک آزادسازی (decompression) نامیده می‌شود.

امواج طولی

در خلال بحث اشاره کردیم که امواج صوتی از نوع امواج طولی هستند و از همین‌رو از اینجا به بعد، بحث خودمان را به امواج طولی محدود می‌کنیم. تکرار می‌کنم که یک موج طولی موجی است که جهت انتشار آن هم‌جهت یا موازی با جهت حرکت ذرات محیط است و compression و decompression به طور متناوب در این امواج اتفاق می‌افتد. ضمناً گفتیم که منظور از محیط نیز ماده‌ای است که موج در آن انتشار یافته و عموماً از واژه‌ی رسانه (medium) به جای محیط استفاده می‌شود.

مهمترین ویژگی‌های قابل تعریف برای امواج طولی عبارتند از: طول موج، دامنه، دوره تناوب، فرکانس و سرعت موج. اجازه دهید تعریفی رسمی برای هر یک از این ویژگی‌ها ارائه دهیم.

• طول موج (wavelength): طول موج در یک موج طولی عبارت است از فاصله‌ی بین دو نقطه‌ی مجاور هم‌فاز. به عبارت دیگر، فاصله‌ی بین دو compression مجاور یا دو decompression مجاور را طول موج گوییم. در تصویر زیر از نماد لامبدا برای طول موج استفاده شده است.

  

• دامنه (amplitude): دامنه بیانگر حداکثر جابحایی از وضعیت تعادل است. در یک موج طولی، دامنه بیانگر حداکثر افزایش فشار نسبت به فشار تعادلی است که هنگام عبور یک compression از آن نقطه رخ می‌دهد و یا حداکثر کاهش فشار نسبت به فشار تعادلی که هنگام عبور یک decompression از یک نقطه رخ می‌دهد.
• دوره تناوب (period): دوره تناوب یک موج طولی عبارت است از مدت زمانی که طول می‌کشد تا موج به اندازه‌ی یک واحد از طول موج حرکت کند.
• فرکانس (frequency): فرکانس یک موج طولی عبارت است از تعداد طول‌موج‌های طی شده توسط موج در یک ثانیه. بدیهی است که فرکانس و طول موج با هم رابطه‌ی عکس دارند یعنی افزایش یکی سبب کاهش دیگری می‌شود و برعکس.
• سرعت (speed): سرعت یک موج مسافتی است که موج در یک واحد از زمان طی می‌کند. در عمل، سرعت یک موج به‌شدت به ویژگی‌هایی از محیط یا رسانه مانند دما، چگالی، فشار و ویسکوزیته وابسته است.

امواج صوتی

بسیار خوب، ما اکنون پیش‌نیاز فیزیکی لازم برای درک و بررسی پدیده‌ی صدا را می‌دانیم. من‌باب یادآوری عرض می‌کنم که امواج صوتی از نوع امواج طولی هستند و لذا در این بخش ویژگی‌های امواج طولی را در مورد صدا بررسی می‌کنیم و می‌بینیم که چطور این ویژگی‌ها با اصطلاحات و مفاهیمی که مهندسین صدا با آنها سروکار دارند، در ارتباط هستند.

گفتیم که امواج از ایجاد پالس در یک محیط یا ماده که از نظر فنی رسانه نامیده می‌شود و تکرار تناوبی این پالس‌ها به وجود می‌آیند و می‌دانیم که تولید پالس‌ها نیاز به انرژی دارد. در مورد امواج صوتی، انرژی مورد نیاز از ایجاد ارتعاش (vibration) در منبع صدا ایجاد می‌شود. منبع صدا می‌تواند موتور ماشین، دزدگیر، پرنده‌ای در حال آواز، تارهای صوتی و یا هر چیز دیگری باشد اما در هر حال، برای تولید انرژی لازم برای ایجاد موج صوتی باید بخشی از آن منبع به ارتعاش درآید. یکی از ملموس‌ترین منابع صدا، تارهای صوتی است. اگر هنگام صحبت کردن یا آواز خواندن گلوی خود را لمس کنید، ارتعاش تارهای صوتی خود را حس خواهید کرد.

حالا باید ببینیم که این ارتعاشات چگونه به امواج صوتی تبدیل می‌شوند. داستان از این قرار است که ارتعاشات یک منبع صوتی باعث می‌شود که به مولکول‌های رسانه (هوا، آب یا ....) فشار وارد شود. این مولکول‌ها نیز به نوبه خود به مولکول‌های مجاور خود فشار وارد می‌کنند و این ماجرا به همین ترتیب ادامه پیدا می‌کند. به این ترتیب، یک دنباله از نوسانات فشار ایجاد می‌شود و توالی این نوسانات یا compressions و decompressions همان چیزی است که ما آن را موج صوتی یا sound wave می‌نامیم.

مهندسین صدا از اصطلاحاتی مانند pitch برای زیروبمی یا گام صدا، loudness برای بلندی صدا و tone برای نوع یا رنگ صدا استفاده می‌کنند. در این بخش قصد داریم با توجه به ماهیت موجی اصوات، این اصطلاحات را به ویژگی‌های امواج صوتی مانند دامنه و فرکانس مرتبط کنیم.

ارتباط بین فرکانس و گام صدا

قبل از هر چیز، ذکر این نکته ضروریست که ما از اصطلاح گام به عنوان معادل فارسی برای pitch استفاده کرده‌ایم. در واقع، مهندسین صدا از اصطلاح pitch به عنوان معیار زیروبمی صدا استفاده می‌کنند. صداهای با گام بالاتر را صدای زیر و صدای با گام پایین‌تر را صدای بم می‌گوییم. برای نمونه، صدای زن‌ها نسبت به مردها گام یا pitch بالاتری دارد یا به عبارت دیگر صدای مرد نسبت به زن بم‌تر است. به عنوان یک مثال دیگر، چهچهه‌ی یک پرنده گام بالاتری نسبت به نعره‌ی یک شیر دارد.

فاکتور یا مشخصه‌ی فیزیکی تعیین‌کننده‌ی گام صدا، فرکانس موج صوتی است. هر چقدر موج صوتی ایجاد شده از فرکانس بالاتری برخوردار باشد، گوش ما صدا را زیرتر یا با گام بالاتر می‌شنود و هر چقدر فرکانس موج صوتی کمتر باشد، صدا بم‌تر یا با گام پایین‌تر شنیده می‌شود. البته در این بین عاملی به نام حساسیت شنوایی نیز نقش دارد.

گوش انسان می‌تواند اصواتی را که فرکانس آنها حدوداً بین 20 تا 20000 هرتز است، بشنود. صداهای با فرکانس کمتر از 20 هرتز را فروصوت (infrasound) و صداهای با بیش از 20000 هرتز فرکانس را فراصوت (ultrasound) می‌گویند. البته محدوده‌ی شنوایی حیوانات با انسان متفاوت است. جدول زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

ارتباط بین دامنه و بلندی صدا

بلندی (loudness) صدا مشخصه‌ای است که ما از اصطلاح volume نیز برای آن استفاده می‌کنیم و تعیین‌کننده‌ی شدت (intensity) صداست. هرچقدر انرژی آزاد شده توسط منبع ارتعاش بیشتر باشد و ارتعاش پرانرژی‌تر باشد، دامنه‌ی آن موج صوتی بیشتر خواهد بود. دامنه‌ی یک موج صوتی مشخصه‌ای است که در ارتباط مستقیم با بلندی صداست. یعنی هرچقدر دامنه بیشتر باشد، صدا بلندتر خواهد بود و در مقابل، موج‌های با دامنه‌ی پایین‌تر صداهایی تولید می‌کنند که از دید حس شنوایی انسان نرم‌تر هستند. مقیاس اندازه‌گیری بلندی صدا دسی‌بل (dB) است.

مفهوم Timbre یا تون صدا

منظور از timbre ویژگی بسیار پیجیده‌ای از صداست که ما آن را تون یا رنگ صدا می‌نامیم. در واقع، timbre همان چیزی است که ما را قادر به درک تفاوت صداهای مختلف می‌کند. یعنی به واسطه‌ی این ویژگی است که ما می‌توانیم بین صدای افراد مختلف و موسیقی و نویز و سایر اصوات تمایز قائل شویم. بررسی دقیق این ویژگی نیاز به بیان جزئیاتی در مورد فیزیولوژی صدا و احساس شنوایی دارد.

همانطور که گفتیم، سرعت انتشار یک موج در یک رسانه به ویژگی‌های آن رسانه وابسته است. امواج صوتی نیز از این قاعده مستثنی نیستند. مهمترین فاکتورهای یک رسانه که بر روی سرعت صدا موثرند عبارتند از:

• چگالی: هر چقدا چگالی محیط یا رسانه‌ی انتقال صدا بیشتر باشد، مولکول‌های آن محیط به هم نزدیکتر هستند و لذا انتقال صدا با سرعت بیشتری انجام می‌شود. بنابراین، سرعت انتشار صدا در جامدات از مایعات بیشتر و در مایعات نسبت به گازها بیشتر است.
• دما: یکی دیگر از فاکتورهای تاثیرگذار روی سرعت صدا دماست. بدیهی است که هر چقدر دمای محیط بالاتر باشد، ذرات آن محیط با سرعت بیشتری جابجا می‌شوند و در نتیحه امواج صوتی سریع‌تر منتقل می‌شوند.
• فشار: امواج صوتی امواج فشار هستند و طبیعی است که فشار نیز روی سرعت صوت تاثیرگذار باشد. فشار بالاتر به منزله‌ی انتقال سریعتر صداست. برای نمونه، به خاطر تفاوت فشار در سطح دریا و بالای یک کوه، امواج صوتی در سطح دریا سریعتر حرکت می‌کنند.

اولین تلاش‌های جدی برای اندازه‌گیری سرعت صوت توسط نیوتون انجام شد. او به معادله‌ای رسید که بعدها نادرستی آن توسط دانشمند فرانسوی، لاپلاس ثابت شد. در واقع لاپلاس نشان داد که بر خلاف تصور نیوتون، پدیده‌ی انتشار صدا یک پدیده‌ی همدما یا isothermal نیست و از این‌رو توانست معادله‌ی نیوتون را اصلاح کند. سرعت انتشار صدا در هوا و در سطح دریا، با دمای 21 درجه سانتیگراد و تحت شرایط نرمال جوی برابر با 341 متر بر ثانیه است.

آنچه در این مقاله در مورد آن صحبت کردیم، فرایند تولید و انتشار صدا بود. همانطور که در ابتدای این مقاله گفته شد، بررسی ساختار گوش انسان و حس شنوایی و نحوه‌ی دریافت و تفسیر امواج صوتی به علم فیزیولوژی و روانشناسی انسان مربوط می‌شود که موضوع این مقاله نیست. اما به طور خلاصه می‌توان گفت: با رسیدن نوسانات فشار یا همان امواج صوتی به گوش، این نوسانات فشاری بعد از عبور از سه لایه‌ی اصلی گوش که با نام‌های گوش بیرونی و میانی و درونی شناخته می‌شوند، به صورت تکانه‌های عصبی یا nerve impulses به عصب شنوایی تحویل داده می‌شوند و عصب مذکور آنها را به مغز منتقل می‌کند و مغز کار تفسیر آنها به عنوان صدا را انجام می‌دهد.