كتاب الطالب فيزياء للصف العاشر المتقدم الفصل الثاني
خصائص الصوت والكشف عنه
الفيزياء في حياتك
لعلك لاحظت أن صوت شاحنة ما قريبة منك مختلف عن صوت الشاحنة نفسا عندما وتحرك مبتعدة عنك يطلق على هذا التأثير "تأثير دوبلر" وتمت دراسته أول مرة في العام 1845.
لاحظ العالم الهولندي سي إتش دي بويز بالوت تغيرات في الصوت أثناء مرور أحد القطارات الذي يقل عازفي البوق.
الموجات الصوتية
يعتبر الصوت شيئا أساسيا في حياة الإسان والعديد من المخلوقات الحية الأخرى. إذ ينبهنا صوت صافرة الإنذار بوجود خطر ما وينبغي الوعي بالأشياء المحيطة بنا. بينما جعلنا صوت الموسيقى نشعر بالهدوء والاسترخاء ثمة العديد من خصائص الصوت المألوفة لديك في حياتك اليومية ومنها مستوى الصوت ونغمته وطبقته. يمكنك استخدام هذه الخصائص وغيرها لتصنيف العديد من الأصوات التي تسمعها على سبيل المئال.
تعد بعض أنماط الصوت من ميزات الكلام. في حين يعتبر بعضها من ميزات فرقة موسيقية معينة ستدرس في هذه الوحدة المبادىء الفيريائية للصوت كأحد أنواع الموجات، وستستعين بما درسته سابقا عن الموجات لوصف بعض خصائص الصوت وتفاعلااه.
تغيرات الضغط ضع أصابعك على حنجرتك وأنت تهمهم أو تتكلم. هل تشعر بالاهتزازات ؟ يوضح الشكل 1 جرسا يهتز وهو يشبه أحبالك الصوتية أو مكبر صوت (مسجل) أو أي مصدر أخر للصوت. وعندما يهتز الجرس إلى الخلف والأمام. تصطدم حافة الجرس بجزيئات الهواء فتندفع جزئيات الهواء إلى الأمام عندما تتحرك الحافة إلى الأمام. بمعنى أن جزئيات الهواء ترتد عن الجرس بسرعة متجهة أكبر من السرعة المتجهة لارتدادها في حالة عدم تحرك الجرس. وعندما تتحرك الحافة إلى الخلف ترتد جزيئات الهواء عن الجرس بسرعة متجهة أقل.
الشكل 1 عندما يكون الجرس في وضع سكون كما في الصورة العليا من الشكل. يكون ضعط الهواء المحيط متوسطا وعند قرع الجرس كما يظهر في الصورة السفلى. تشكل الحافة المهتزة مناطق ذات ضغط مرتمع ومنخفض ولتسهيل الفهم يوضح الرسم التخطيطي تحرك مناطق الضغط في اتجاه واحد. لكن في الواقع تتحرك الموجات المنبعثة عن الجرس في الاتجاهات جميعها
تكون سرعة الصوت عموما في الأجسام الصلبة والسوائل أكبر منها في الغازات. يبين الجدول l سرعات الموجات الصوتية في أوساط متعددة. لاحظ أنه لا يمكن للصوت أن ينتقل في الفراغ لأنه لا توجد جسيمات لكي تتصادم وتنقل الموجات الصوتية.
تشترك الموجات الصوتية مع الموجات الأخرى في خصائصها العامة فعلى سبيل المثال. تنعكس الموجات الصوتية عن الأجسام الصلبة كجدران الغرفة مثلا. وتسمى الموجات الصوتية المنعكسة بالصدى. ويمكننا الاستفادة من معرفة الوقت اللازم لعودة الصدى إلى مصدر الصوث في إيجاد المساقة بين المصدر والجسم الذي انعكس عنه.
تستفيد الخفافيش وبعض الكاميرات وبعض المهن التي تستخدم السونار من هذا المبدأ. يمكن أن تتداخل موجتان صوتيتان مما يتسبب في تكوين مناطق تدعى مناطق الخفوت عند العقد حيث يكون الصوت عندها ضعيفا جدا وكما عرفت سابقا فإن تردد الموجة وطولها يرتبطان بسرعتها من خلال المعادلة التالية
الكشف عن موجات الضغط
تحول مراقبات الصوت الطاقة الصوتية طاقة حركة الجزيئات المهتزة للوسط الذي ينتقل خلاله - إلى شكل آخر من أشكال الطاقة يعد المكروفون أحد المرافات الشائعة حيث يحول الطاقة الصوتية إلى طاقة كهربائية ويتكون الميكروفون من قرص رقيق يهتز استجابة للموجات الصوتية. فينشأ عن ذلك إشارة كهربائية.
أذن الإنسان كما هو موضح في الشكل 3. تعد أذن الإنسان مراقبا صوتيا يستقبل موجات الضغط ويحولها إلى نبضات كهربائية. عندما تدخل الموجات الصوتية القناة السمعية. يهتز الغشاء المطلي الذي يطلق عليه طبلة الأذن. لم تنقل ثلاث عظام صغيرة في الأذن الوسطى هذه الاهتزازات إلى سائل في القوقعة تلقط شعيرات صغيرة تبطن القوقعة الحلزونية ترددات معينة في السائل المتذبذب. وتنشط هذه الشعيرات الخلايا العصبية التي ترسل بدورها نبضات إلى المخ وتولد الإحساس بالصوت تستشعر الأذن الموجات الصوتية لمدى واسع من الترددات وهي حساسة لمدى كبير جدا من السعات. بالإضافة إلى ذلك، تستطيع حاسة السمع لدى الإنسان التمييز بين العديد من الأنواع المختلفة للصوت لذا يتطلب فهم آلية عمل الأذن وتعقيداتها معرفة بعلم الفيزياء والأحياء. ويعد تفسير الأصوات في الدماغ أمرا معقدا ولم يفهم تماما.
تصدر الألات الوترية مثل البيانو والجيتار والكمان أصوات عن طريق اهتزاز الأسلاك أو الأوتار الموجودة فيها. ويولد الاهتزاز من خلال الضرب على الأوتار في البيانو والنقر عليها في الجيتار. أما في الكمان. فإن احتكاك القوس يتسبب في اهتزاز الأوتار. وترتبط الأوتار في لوحة صوتية تهتز مع الأوتار. وينتح عن اهتزازات لوحة الصوت ذبذبات الضغط في الهواء التي نسمعها على هيئة صوت. فضلا عن ذلك. تستخدم آلات الجيتار الكهربائي أجهزة إلكترونية للكشف عن اهتزازات أوتار الجيتار وتضخيمها
الرنين في أنابيب الهواء
إذا سبق لك ان استخدمت آلة نحاسية أو ألة نفخ. فستكون على علم بأنه عندما يصدر صوت نتيجة لاهتزاز شفتيك أو اهتزاز القصبة. يصبح من الصعب التحكم بطبقة الصوت. لذا يجب وصل الأنبوب الطويل الموجود في الآلة لكي ينتج صوت موسيقي.
عندما يعزف بالآلة. يهتز الهواء داخل هذا الأنبوب بالتردد نفسه أو برنين يتوافق مع اهتراز الشفتين أو القصبة. تذكر أن الرنين يزيد سعة الاهتزاز من خلال بذل قوة خارجية صغيرة بصورة متكررة على جزيئات الهواء المهتزة بالتردد الطبيعي لأنبوب الهواء. كما يحدد طول أنوب الهواء ترددات الهواء المهتز التي ستصدر رنينا. بالنسبة إلى ألات النفخ والآلات الحاسبة مثل المزامير والأبواق وآلات الترمبون. يتسبب تغير طول أنبوب الهواء المهتز في تغتر طبقة الصوت الصادر من الألة ينتج مبسم الألة ببساطة خليطا من الترددات المختلفة، ويعمل عمود الهواء في حالة الرنين على تضخيم مجموعة من الترددات لتضخيم نغمة منفردة، وتحويل الضجيج إلى موسيقى.
يمكن للشوكة الرنانة الموجودة أعلى الأنبوب المجوف أن تحدث رنينا. في عمود الهواء كما هو موضح في الشكل 10. وعند وضع الأنبوب في الماء بحيث يكون الطرف منه تحت سطح الماء ويسمى الأنبوب الذي في حالة رنين والذي يغلق أحد طرفيه بالنسبة إلى الهواء انبوب رنين مغلق الطرف. كما يمكن تغيير طول أنبوب الهواء عن طريق ضبط ارتفاع الجزء العلوي من الأنبوب فوق سطح الماء وإذا طرق على شوكة رنانة بمطرقة مطاطية. فسيعلو الصوت وينخفض بالتناوب. نتيجة لتغير طول عمود الهواء من خلال تحريك الأنبوب إلى أعلى وأسفل في الماء يكون الصوت عاليا عندما يحدث أنبوب الهواء رنينا مع الشوكة الرنانة. لأن أنبوب الهواء في حالة الرنين يزيد من شدة صوت الشوكة الرنانة.
موجة الضغط المستقرة كيف يحدث الرنين؟ تصدر الشوكة الرنانة المهتزة موجة صوتية. وتتحرك هذه الموجة ذات الذبذبات متخفضة ومرتفعة الضغط أسفل أنبوب الهواء عندما تصطدم الموجة بسطح الماء. تنعكس إلى أعلى مرة أخرى نحو الشوكة الرنانة. كما هو موضح في الشكل 11. فإذا وصلت موجة الضغط المرتفع المنعكسة إلى الشوكة الرنانة في اللحظة نفسها التي تنتج فيها الشوكة الرنانة موجة أخرى ذات ضغط مرتفع. ففي ذلك الحين تعزز الموجتان المنبعثة والمرتدة كل منهما الأخرى. وتنشأ موجة مستفرة عن تعريز الموجات هذا. ويحدث رنين.
إن انبوب رنين مفتوح الطرفين عبارة عن أنبوب مفتوح الطرفين ويكون في حالة رنين مع مصدر الصوت. وفي هذه الحالة. لا تنعكس موجة الصوت من الطرف المغلق بل من الطرف المفتوح فإذا اصطدم جزء مرتفع الضغط من الموجة بالطرف المفتوح. فسيكون ضغط الموجة المرتدة منخفضا عند تلك النقطة. كما هو موضح في الشكل 11.
طول عمود هواء الرنين يوضح الشكل 12 موجة صوتية مستقرة في أنبوب وممثلة بموجة جيبية يمكن أن يمثلل الموجات الجيبية ضغط الهواء أو إزاحة جزيئات الهواء نذكر أن الموجات المستقرة . إن العقدة هي النقطة الثابتة التي تلتقي عندها نبضتان موجيتان متساويتان وتكونان في الموقع نفسه. والبطن هي مكان أكثر إزاحة عند التقاء نبضتين موجيتين. لذا في التمثيل البياني للضغط، تمثل العقد مناطق الضغط الجوي المتوسط. بيتما يتأرجح الضغط عند البطون بين قيمته العظمى والصغرى. في حالة التمثيل البياني للإزاحة. تمثل البطون مناطق الإزاحة الأعلى وتمثل العقد مناطق الإزاحة الأقل. في كلتا الحالتين. تكون المسافة بين بطنين أو عقدتين متجاورتين مساوية لنصف طول الموجة.
التأكد من فهم النص وضح أوجه الاختلاف بين عقدة وبطن على التمثيل البياني للإزاحة.