الصوت والضوء

محاضرة 3: مصادر الصوت

مصادر الصوت Source of sound

روابط إعلانية

يتعلق هذا الجزء من المحاضرة باستكمال بعض المواضيع المتعلقة بالصوت وتطبيقاته وهي:

    مصادر الصوت Source of sound

    ظاهرة دوبلر Doppler effect

    اختراق حاجز الصوت Sonic boom

    تطبيقات الامواج فوق الصوتية في الطب Application of ultrasound in medicine

(1) مصادر الصوت Source of sound

روابط إعلانية

إن مصدر أي صوت هو اهتزاز الجسم الذي يصدر الصوت، معظم الأجسام تهتز ويمكن ان تكون مصدراً للصوت.  وسوف نقوم بمناقشة بعض المصادر البسيطة للصوت مثل الآلات الموسيقية حيث ان كل الآلات الموسيقية تصدر الصوت من خلال الاهتزاز الحادث أما بالضرب على غشاء معين مثل الطبلة أو النفخ مثل المزمار أو تحريك بعض الأوتار المشدودة مثل ألة الجيتار.

لنأخذ على سبيل المثال الآلات التي تعتمد على الوتر لاحداث الصوت فإنه بإحداث شد للوتر ثم تركه فإنه يهتز في شكل امواج موقوفة standing waves.  الامواج الموقوفة هي أمواج تتكون عندما يهتز الجسم بين حاجزين حيث ترتد الموجة على نفسها وتشكل موجة موقوفة كما يحدث عند اهتزاز سائل في إناء كما في الشكل التالي:

كوب به شاي على طاولة على سطح طائرة يهتز سطحه ويكون امواج موقوفة (أضغط على الصورة لرؤيتها بحجم أكبر).

تصدر جميع الآلات الموسيقية الصوت من خلال احداث اهتزاز في شكل موجة موقوفة ينتقل تأثيرها في الهواء على شكل اضطراب بحدث تضاغط وتخلخل في جزيئات الهواء ونسمع الصوت الناتج عنه.  وتكون تردد الصوت المسموع مساوي لتردد الأمواج الموقوفة ولكن الطول الموجي والسرعة مختلفان.

روابط إعلانية

   

في الشكل نلاحظ وتر مشدود بين لوحين المسافة بينهما L، فإذا قمنا بإحداث ازاحة
 فإن الوتر سوف يهتز وتتكون موجة موقوفة.

لنتعرف على الأمواج الموقوفة بتفصيل أكثر فلو افترضنا ان حبل مربوط في جدار والطرف الآخر بيدك فإنك بتحريك يدك الممسكة بالحبل للأعلى وللأسفل باحداث إزاحة متساوية في الاتجاهين وبسرعة منتظمة تكون موجة موقوفة تسمى النمط الأهتزازي الأول أو الرئيسي، كما في الشكل المقابل حيث يتكون من نصف موجة ترتد عند الجدار وتكون نصف موجة معاكسة، واذا قمت بزيادة سرعة يدك يمكن ان تنتقل إلى نمط الاهتزازي الثاني حيث تتكون موجة كاملة في الاتجاهين وهكذا كما يوضح الشكل.  ولعلك لاحظت لماذا تم تسميتها باأمواج الموقوفة! والسبب يعود إلى أن الوجة لا يسمح لها بالإنتشار خارج الحدود التي حددت الموجة وهنا الجدار واليد الممسكة بالطرف الثاني للحبل لذلك فإن سعة الموجة عند الحدود تساوي صفر وينتج عن الأهتزاز موجة موقوفة.

كيف نسمع الصوت؟  ينتج عن الموجة الموقوفة احداث اطضراب منتظم في جزيئات الهواء المحيطة بالموجة الموقوفة ينتقل في الهواء إلى الأذن ونسمعه.

فيزياء الأمواج الموقوفة

من الشرح السابق نستنتج أن الأمواج الموقوفة تتكون من عدة أنماط اهتزازية تكون فيها سعة الموجة تساوي صفر على حدود الموجة الموقوفة ويمكن ان تتكون عدة مناطق على الموجة تكون فيها السعة مساوية للصفر وتسمى هذه المناطق بالعقد أما المناطق التي يكون فيها اهتزاز للموجة تسمى بطن.

وفي النمط الأهتزازي الاول لا يوجد عقد في الداخل ويوجد بطن واحد بينما في النمط الاهتزازي الثاني يكون هناك بطنين وعقدة واحدة وفي النمط الاهتزازي الثالث يكون هناك ثلاثة بطون وعقدتين وهكذا الحال لانماط الاهتزازية الأعلى.

لاحظ ان جميع الانماط الاهتزازية التي تتكون هي محصورة داحل مسافة طولها L لذلك كما في الشكلل المقابل يمكن ان نستنتج العلاقة التالية:

             n = 1, 2, 3, ……..

حيث n هي رتبة النمط الاهتزازي

 

أي أنه يتكون في الحبل الذي طوله Lعدد صحيح من أنصاف الأطوال الموجية.

بعد ان وضحنا فكرة الأمواج الموقوفة يجب أن نعلم أن كل الآلات الموسيقية تعمل بهذه الطريقة،  ولكي نحدد تردد الموجة الصوتية المسموعة والصادرة من الموجة الموقوفة سنقوم بالتعامل مع النمط الاهتزازي الأساسي fundamental oscillation i.e. the first harmonic حيث يكون هو التردد الأقل المتوقع سماعه من الوتر الذي كون الموجة الموقوفة. وعليه يكون طول الوتر يساوي نصف طول موجي كما في المعادلة التالية:

         (1)

وللحصول على التردد نستخدم المعادلة التالي:

        (2)

من المعادلة (1) نحصل على

      (3)

بالتعويض عن الطول الموجي في المعادلة (2) من المعادلة (1) نحصل على التردد كما في المعادلة التالية

         (4)

وهذه المعادلة تشير إلى أن تردد الصوت المسموع من الوتر يتناسب عكسياً من طول الوتروكلما قل طول الوتر كلما كان التردد المسموع أكبر.

ولعلك تدرك الأن لماذا يقوم العازف على الجيتار بالضغط باصابعه على الوتر لتقصيره وتطويله ليحصل من نفس الوتر على ترددات مختلفة.

كما أنا التردد يعتمد على طول الوتر فإنه إيضا يعتمد على كتلته لذلك يتم تثبيد عدة اوتار مختلفة على الآلة الموسيقية للحصول على كل الترددات المطلوبة للسلم الموسيقي.  حيث ان سرعة الموجة الموقوفة تساوي

حيث FT هي قوة شد الحبل وm/L هي كتلة الوتر لكل وحدة طول.

أي أن السرعة في الأوتار الثقيلة تكون أقل منها في الأوتار الخفيفة وكذلك الترددات لأن التردد يتناسب طرديا مع السرعة.

يقوم الخبير بالعزف الموسيقي بضبط شد الأوتار في الآلة الموسيقية وذلك لضبط الترددات المطلوبة.

Example

The highest key on a piano corresponds to a frequency about 150 times that of the lowest key. If the string for the highest note is 5cm long, how long would the string for the lowest note have to be?

Solution

حيث أن سرعة الصوت الناتج من الوترين ستكون نفسها وحيث أن التردد يتناسب عكسياً من طول الوتر حسب المعادلة (4) وعليه يكون ما يلي:

 

وهذا هو طول الوتر المطلوب توفيره في البيانو للحصول على الترددات المنخفضة ولكن ذلك غير ممكن لأن البيانو سيكون حجمه ضخم جداً ويستخدما عوضاً سلك من مادة ذات كتلة أكبر.

مزيد من المعلومات عن فيزياء الآلات الموسيقية تجدها على هذا الرابط

http://www.numbera.com/musictheory/mechanics/physics.aspx

روابط إعلانية
الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق