الثلاثاء، 30 مايو، 2017

الصوت موجة ميكانيكية

الصوت موجة ميكانيكية
الأصوات :هي موجات تنتج عند إحداث اهتزازت داخل وسط مادي .
تعريف الموجة :هى اضطراب ينتقل
عبر وسط فيحمل الطاقة من مكان لآخر
أوجه الشبه بين الموجة الصوتية و الموجات الحادثة في الزنبرك :
هناك وسط يحمل الاضطراب والاهتزازت من موقع إلى آخر في كلتا الحالتين .
هناك مصدر أصلي للموجة .
في كلتا الحالتين يتم نقل الموجة عن طريق الجسيمات المترابطة .

الصوت موجة ميكانيكية
عندما نفتح الباب تتحرّك الستارة نحو الخارج لانضغاط جزيئات الهواء داخل الغرفة ، و عند غلق الباب تتحرّك الستارة نحو الداخل نتيجة تخلخل جزيئات الهواء داخل الغرفة .
الموجة الطولية :هي اهتزازات تتحرك
أماماً و خلفاً في الاتجاه نفسه الذي
تنتقل فيه الموجة
خصائص الصوت 
حدة الصوت
شدة الصوت
تردد الموجة : هو عدد المرات التي يهتز فيها
الوسط أو المادة في الثانية الواحدة
التردد = عدد الاهتزازات
                  الزمن
تستطيع الأذن البشرية سماع الأصوات
ذات الترددات ما بين

20HZ   -   20 000 HZ

الترددات التي تعطي توافق النوتات الموسيقية

جدول يوضح بعض الأصوات و مستويات الشدة

اكتب بين القوسين المصطلح العلمي الذي تدل عليه كل من العبارات التالية :

أمواج صوتية غير مسموعة ترددها يزيد عن(20000Hz)  . (                   )

مقدار الطاقة الصوتية التي تعبر عموديا على وحدة المساحات جول نقطة في الثانية الواحدة . (                   )

-3 الصوت المنعكس المسموع بعد زوال تاثير الصوت الأصلي . (                 )

-4 ترددات تصدر مصاحبة للتردد الأساسي للجسم المهتز وهي عبارة عن مضاعفات له . (                   )

5- موجة تختلف فيها سعة الأهتزازة من نقطة لأخرى حسب موقع كل نقطة من مصدر الأمواج في الوسط الناقل للموجه .      (                   )

-6 اصوات يزيد تردد أمواجها عن (20000Hz) وغير مسموعة . (             )

-7الحد الأدنى لشدة الصوت المسموع والتي بحدود .(                   )

-8أهتزاز جسم مزود بطاقة عن طريق قوة خارجية تدفعه على فترات متعاقبة . (                   )

-9تجمع موجات صوتية ذات طاقة كبيرة نسبيا ناتجة عن الطائرات التي تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الصوت في الهواء . (                   )

تعريف الصدى :هو الصوت

المسموع بعد انعكاسه عن

حاجز معين

تعريف زمن الصدى:هو الزمن

اللازم للصوت ليقطع المسافة

بين مصدر و الحاجز ذهاباً و إياباً.

انعكاس الموجات الصوتية 

الانعكاس :هو تغيير الموجة الصوتية لاتجاهها

عندما تسقط على حاجز لا يسمح لها باختراقه

ارتداد الصوت 

ارتداد الصوت:هو سلسلة من الانعكاسات للصوت

في غرفة مغلقة يصاحبها تناقص شدة ذلك
أهداف محاضرة الصوت

يرتبط الصوت بأحد الحواس الخمسة التي انعم الله عز وجل بها علينا وهي حاسة السمع. 

وخلال هذه المحاضرة سوف ندرس الفيزياء المتعلقة بالصوت:
الانعكاس فى الصوت.

الانكسار فى الصوت.

التداخل فى الصوت.

الحيود فى الصوت.

التردد والسعة والطول الموجي.

درجة الصوت وشدته ونوعه.

الصوت وكيفية حدوثه.

الموجات وأنواعها.

أنواع الموجات الصوتية.

الموجات الموقوفة.

الرنين.

تعيين سرعة الصوت.

ظاهرة دوبلر.

ظاهرة اختراق حاجز الصوت.

علم الصوتيات البيئي.

سرعة انتشار الموجة.


هي اضطراب منتشر يقوم بنقل الطاقة في اتجاه انتشاره.
مقدمة: 
الصوت عبارة عن موجات تصدر من الأجسام المهتزة. لذلك سنوضح أولاً، ما هي الموجات وأنواعها.
الموجة: 
أنواع الموجات

موجات ميكانيكية

موجات كهرومغناطيسية 

موجات مادية

”موجات دي بروللي“

ويمكن تقسيم الموجات إلي ثلاثة أقسام، وهي:

عبارة عن اضطراب لمجالين متعامدين أحدهما كهربي والآخر مغناطيسي.

موجات مستعرضة

لاتحتاج إلي وسط لانتقالها.

مثل موجات الضوء وأشعة جاما والأشعة السينية.
لابد من وجود وسط لانتقالها.

تنقسم إلي نوعين

موجات طولية 

أي جسم مادي متحرك تصاحبه موجة طبقاً للخاصية الثنائية لدي بروللي.

تتكون من تضاغط وتخلخل.

جزيئات الوسط تهتز في نفس اتجاه انتشار الموجة.
مثل موجات الصوت والزنبرك.

تتكون من قمة وقاع.

جزيئات الوسط تهتز عمودياً علي اتجاه انتشار الموجة.
مثل موجات الماء والأوتار.



ويمكن تمييز موجة عن أخري بواسطة ثلاث كميات فيزيائية هي:

تردد الموجة يساوي عدد الذبذبات في الثانية الواحدة. 

هو المسافة بين أي نقطتين متتاليتين تتحركان بنفس الكيفية ”لهما نفس الطور“. 
الطول الموجي :
التردد f:

السعة:
هي القيمة المطلقة لأعلى مسافة إزاحة تحدثها الموجة، ويمكن تخيلها بأعلى ارتفاع تصله موجة تنتقل في حبل، أو أعلى فرق ضغط يحدثه صوت ما في الهواء (بإهمال تضائل شدة الصوت مع المسافة). أو هي المسافة بين نقطتين في مسار حركة الجسم تكون سرعته في إحداهما أقصاها وفي الأخرى منعدمة.  

ففي حالة الموجة الطولية يساوي المسافة بين مركزي تخلخلين متتاليين أو مركزي تضاغطين متتاليين.  
وفي حالة الموجة المستعرضة يساوي المسافة بين قمتين متتاليتن أو قاعين  متتاليين.  
سرعة انتشار الموجة v:

سرعة انتشار أي موجة v تساوي حاصل ضرب كل من ترددها f في طولها الموجي أي أن:

v =  f

تعتمد سرعة موجات الصوت على الوسط الناقل لها، وتكون سرعتها في الغازات أقل ما يمكن، ثم تزداد في السوائل، وتكون أسرع ما يمكن في الأجسام الصلبة. كذلك تعتمد سرعة الصوت على درجة حرارة الوسط.
الصوت: 
الموجات الطولية عبارة عن سلسلة من التضاغطات والتخلخلات التي تنتقل في الاوساط المادية مثل الهواء والماء والمواد الصلبة.

الصوت عبارة عن موجات ميكانيكة طولية تصدر من الأجسام المهتزة، مثل الشوك الرنانة والأوتار المشدودة والحبال الصوتية. 
عندما يهتز مصدر الصوت فإن جزيئات الوسط تتحرك ذهاباً وإياباً بنفس الطريقة التي يتحرك بها مصدر الصوت ذهاباً وإياباً، مما يسبب ازدياد ونقصان للضغط في تلك المنطقة عن الضغط الجوي الطبيعي. 
وعندما يزداد الضغط بسبب الصوت تسمى هذه الحالة تضاغط وعندما يقل الضغط تسمى هذه الحالة تخلخل. 

هذه التضاغطات والتخلخلات تنتقل عبر الوسط الناقل إلى أن تصل إلى طبلة الأذن وتسبب الإحساس بالصوت. 
ويلاحظ في هذه الحالة أن الحركة الاهتزازية لجزيئات الوسط هي في نفس اتجاه انتشار الموجة الصوتية ، لذلك فإن هذه الأمواج هي أمواج طولية.
ويمكن وصف أي صوت بسيط وصفاً كاملاً عن طريق تحديد ثلاث خصائص هي، درجة الصوت وشدة الصوت أو ارتفاعه ونوع الصوت أو جودته.

تردد الموجة الصوتية يساوي عدد الضغوط والتخلخلات التي ينتجها الجسم المهتز في الثانية الواحدة. 
تردد الصوت يحدِّد طبقته، أي يحدد درجة علو الصوت وانخفاضه. 
الأصوات عالية الطبقة ذات ترددات أعلى من الأصوات منخفضة الطبقة. 

تعرف شدة الصوت بمقدار القدرة ”الطاقة في الثانية الواحدة“ التي تنساب خلال وحدة مساحات عمودية علي اتجاه انتشاره. وتتناسب شدة الصوت طردياً مع مربع سعة الموجة الصوتية. وتقاس شدة الصوت بوحدة الديسيبل. 

شدة الصوت:
درجة الصوت:

وتتوافق هذه الخصائص تماما مع ثلاث كميات فيزيائية هي، التردد والسعة ونمط الموجة.

نوع الصوت:
خاصية الصوت التي تتوقف على نوع مادة المصدر وطريقة توليد الصوت فتمكننا من التمييز بين صوتين متساويين بالعلو والدرجة ولكنهما صادران من مصدرين مختلفين. فمثلاً نميز بين نغمتين ذات التردد الواحد والشدة الواحدة ولكن تحدثها آلات موسيقية مختلفة.



أنواع الموجات الصوتية

موجات مسموعة

موجات فوق سمعية

هي الموجات التي تزيد تردداتها على 20 الف هيرتز .

تقع خارج نطاق حاسة الاذن البشرية .

لها العديد من التطبيقات المهمة  في الصناعة تُستخدم في تنظيف الساعات والمجوهرات والأجهزة الدقيقة، وفي الطب تستخدم في تشخيص الأمراض وتفتيت الحصى في الحويصلة الصفراوية والكُلى وفي الكشف عن نمو الجنين.

هي تلك الموجات التي تقع تردداتها بين 20 هيرتز و 20000هيرتز .

تمثل الصوت المسموع بواسطة الاذن البشرية العادية. 
هي الموجات الصوتية التي يقل ترددها عن 20 هيرتز.
تصنف الموجات الصوتية طبقا لتردداتها كما يلي:
موجات تحت سمعية

لاتستطيع الاذن البشرية الاحساس بها 
اهم مصدر لها هو الحركة الاهتزازية والانزلاقية لطبقات القشرة الأرضية، وبعض الآلات الثقيلة مثل الحفار.

لذلك فهي مهمة جدا في رصد الزلازل وتتبع نشاط البراكين. 

تستطيع بعض الحيونات الاحساس بالزلازل قبل حدوثها بسببها.

يستطيع الوطواط والكلب، وأنواع أخرى كثيرة من الحيوانات، سماع موجات فوق سمعية. 
الأذن البشرية لا تتحسس بالتساوي الأصوات ذات الترددات المختلفة حتى إن تساوت شدتها. 
الآلات الثقيلة التي تصدر موجات تحت سمعية لها تأثير مدمر لحاسة السمع وصحة الإنسان.



الانعكاس فى الصوت :

1-  الشعاع الصوتي الساقط am والشعاع المنعكس mb والعمود المقام من نقطه السقوط mn تقع جميعها في مستوى واحد عمودي على السطح العاكس.

2-   زاوية السقوط  i تساوي زاوية الانعكاس r.
تنعكس الموجات الصوتية على الاسطح التى تقابلها بنفس الطريقة التى يحدث بها الانعكاس فى الضوء. وطبقاً لقانوني الانعكاس:
انعكاس الموجات الصوتية يسبب ظاهرة الصدي.
لذلك تغطي جدران قاعات المحاضرات والمسارح ودور السينما بمواد تمنع انعكاس الصوت، لمنع حدوث الصدي.
تنكسر الموجات الصوتية خلال مرورها من وسط لاخر يختلف عنه.

الانكسار فى الصوت : 

ويرجع انكسار الصوت عند انتقاله من وسط لاخر، الى اختلاف سرعة الصوت من وسط لاخر.



الحيود فى الصوت :
الحيود هو ظاهرة انحراف الطاقة الصوتية المصاحبة لانتقال الحركة الموجية عن سيرها فى خط مستقيم، وذلك فى نفس الوسط. 

ويحدث حيود الموجات عند مرورها خلال فتحة مناسبة فى حاجز.
ويفسر حيود الموجات بان كل نقطة على صدر الموجة تعمل عمل مصدر يرسل مويجات كرية ثانوية  تنتشر فى اتجاهات مختلفة.

وبسبب ظاهرة الحيود نستطيع أن نسمع الأصوات من خلف الحواجز ”كالأبواب والشبابيك“.



التداخل ظاهرة تحدث نتيجة لتقابل موجتين متحدتين فى الطور ولهما نفس التردد وسعة الاهتزازة.
التداخل فى الصوت :

وينتج من هذا التقابل وجود نقط فى الوسط الذى تنتشر فيه الامواج وتهتز اجزاء الوسط  عندها بسعة اهتزازة كبيرة، وتسمى تلك النقط بالبطون ”هدب بنائة“.

بينما توجد نقط اخرى فى الوسط يحدث عندها سكون، تسمى تلك النقط بالعقد ”هدب هدامة“.
ولذلك توضع أجهزة الصوت ”السماعات“ في المساجد وقاعات المحاضرات والمسارح في أماكن وعلي مسافات محسوبة حتى لا تتكون عقد ”هدب هدامة“ في أماكن المستمعين.



هي الموجات التي تنشا من تراكب موجتين متماثلتين في التردد والسعة وتسيران في اتجاهين متعاكسين وتتكون من عقد و بطون.

الموجات الموقوفة: 

إذا انعكست موجة ساقطة علي نفسها فإنه يحدث تداخل بين الموجة الساقطة والموجة المنعكسة، وينشأ عن ذلك تكون مايسمي بالموجة الموقوفة.
البطن هو موضع في الموجة الموقوفة يكون عنده سعة الاهتزازة اكبر ما يمكن.

العقدة هي موضع في الموجة الموقوفة تكون عنده سعة الاهتزازة لجزيئات الوسط صفراً.

طول الموجة الموقوفة يساوي ضعف المسافة بين عقدتين متتاليتين أو بطنيين متتاليين.

ملاحظة: تسمى الموجة الموقوفة موجة ساكنة لأنه ليس فيها انتقال للطور.

من أمثلة الأمواج المستعرضة الموقوفة الأمواج التي تحدث في وتر مهتز مثبت من الطرفين.
من أمثلة الأمواج الطولية الموقوفة الأمواج التي تحدث في الأعمدة الهوائية عند حدوث الرنين.



عندما تؤثر سلسلة من الاهتزازات على جسم قادر على الاهتزاز بحيث أن تردد هذه الدفعات يساوي أحد الترددات الطبيعية للجسم فإن الجسم يهتز بسعة كبيرة نسبياً. تسمي هذه الظاهرة بظاهرة الرنين، ويقال بأن الجسم في حالة رنين مع الاهتزازات المطبقة.
فإذا وضعنا شوكتين رنانتين متماثلتين تماماً بعيدتين بعض الشيء عن بعضهما وضربنا الشوكة الأولى فسنجد أن الشوكة الثانية سوف تتجاوب مع الشوكة الأولى وتبدأ في الاهتزاز بشكل مماثل وسنسمع صوت الشوكة الثانية حتى بعد إيقاف الرنانة الأولى عن الاهتزاز .
ظاهرة الرنين:

كذلك تنعكس الموجات الطولية الصادرة من شوكة رنانة عند سطح الماء داخل أنبوبة الرنين وتتداخل الموجات الصوتية المنعكسة مع الموجات الساقطة، وعند الرنين تنشأ موجة موقوفة بحيث تتكون عقدة عند سطح الماء ويتكون بطن بالقرب من فوهة الأنبوبة.



تعيين سرعة الصوت:

نضع الأنبوبة المفتوحة من الطرفين في مخبار مملوء بالماء، ثم  نطرق شوكة رنانة ترددها f ونقربها من الطرف العلوي للأنبوبة مع رفع الأنبوبة إلى الأعلى ببطء إلى أن نحصل على أول رنين. 

وتكون العلاقة بين أقصر طول للأنبوبة L يحدث رنين مع الشوكة وبين ترددها f هي:

حيث v سرعة الصوت، L' المسافة بين بطن الموجة وفوهة الأنبوبة.
نكرر ما سبق مع شوك أخري ذات ترددات مختلفة وفي كل مرة نعين L.

نرسم العلاقة البيانية بين طول العمود L ومقلوب تردد الشوك  1/f، فنحصل علي خط مستقيم يقطع جزء سالب من محور الصادات.

من ميل الخط المستقيم يمكن حساب سرعة الصوت v حيث:

v = 4 الميل     m/sec



ظاهرة دوبلر:

إذا كان كل من مصدر الصوت والسامع والوسط ثابتاً بالنسبة لبعضهما , فإن السامع يسمع صوتاً تردده مساوياً لتردد المصدر.

فعندما يتحرك المصدر مقترباً من مراقب ثابت فإن التردد المقاس بواسطة المراقب يزداد.

تستخدم ظاهرة دوبلر في رادارات سيارات شرطة المرور لمعرفة سرعة السيارات المخالفة للسرعة القانونية، كما لها تطبيقات عدة في مجال الطب حيث يتم التعرف على نبضات الجنين وكذلك سرعة تدفق الدم في الأوعية الدموية باستخدام الأمواج فوق الصوتية وظاهرة دوبلر. 
أما لو تحرك أي منهم بالنسبة لبعضهما البعض، فإن التردد المسموع سيختلف عن تردد المصدر وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة دوبلر.

وتبحث ظاهرة دوبلر في تغير تردد الموجة المسموعة التي يصدرها مصدر في حالة وجود حركة نسبية بين المصدر والسامع.

تزداد درجة صوت الصافرة باقتراب القطار من السامع وتقل بابتعاده عنه.  
وعندما يبتعد المصدر عن المراقب الثابت يصبح التردد المقاس أقل من تردد المصدر في حالة سكون.
ظاهرة اختراق حاجز الصوت:

تحدث ظاهرة اختراق حاجز الصوت عندما يتحرك الجسم بسرعة اكبر من سرعة الصوت. 

عندما تصل سرعة الطائرة إلى سرعة الصوت فيصبح انتشار الامواج الصوتية الناتجة من الطائرة تساوي سرعة الطائرة نفسها فتتراكم جبهات الموجات الصوتية امام الطائرة مباشرة لتكون ما يسمى بموجة الصدمة.

عندما تصبح سرعة الطائرة أكبر من سرعة الصوت فإن كل جبهات الموجات الصوتية الناتجة من محرك الطائرة تتراكم فوق بعضها البعض على جانبي الطائرة وتتداخل تداخلاً بناءً لتشكل جبهة موجة واحدة ذات سعة كبيرة جداً هي موجة الصدمة ولكن في هذه الحالة على جانبي الطائرة وتنتشر في الهواء على شكل مخروط مركزه مقدمة الطائرة. 
عندما تصل موجة الصدمة على طرفي المخروط الصوتي سطح الأرض يصدر صوتاً مزعجاً يحدث ضرراً لأذن الإنسان وقد يحطم نوافذ المباني.

عندما تتحرك الطائرة فطبقاً لظاهرة دبلر يكون تردد الأمواج الصوتية امام الطائرة أكبر من ترددها خلف الطائرة.

لنتصور طائرة تصدر صوتاً وهي ساكنه قبل الاقلاع فتنتشر الأمواج الصوتية على شكل حلقات تكون الطائرة في مركزها.



بعض صور لطائرات اثناء اختراق حاجز الصوت.



علم الصوتيات البيئي:

وعلم الصوتيات البيئي أحد فروع علم الصوتيات، الذي يهتم بالتحكم في التلوث الضجيجي، والتخفيف من آثاره.

ومصادر الضجيج عديدة، مثل: الطائرات ومواقع البناء والصناعات والسيارات والأجهزة المنزلية. 
والضجيج المتواصل، حتى لو لم يكن صاخباً، يسبب الإرهاق والصداع، وفقدان السمع، والتوتر والغثيان.
والأفراد الذين يتعرضون للضجيج المرتفع، لفترات طويلة، قد يعانون فقدان السمع، المؤقت أو الدائم. 
ويمكن التحكم في تلوث الضجيج بعدة طرق. 

فمن وسائل تقليل ضجيج السيارات كاتم الصوت ”الشكمان“، الذي يجعل محركات السيارات أهدأ. 

في المباني، يمكن استخدام الجدران السميكة الثقيلة، والأبواب والنوافذ، التي يمكن إحكام إغلاقها.
أما عمال المصانع والأفراد الآخرون، الذين يتعرضون لضجيج مكثف، فيجب أن يضعوا على آذانهم أجهزة حماية الأذُن لحماية أنفسهم من فقدان السمع.
ويُعنَى علم الصوتيات، كذلك، بتهيئة ظروف جيدة، لإنتاج الحديث والموسيقى وسماعهما، في قاعات الاجتماعات وصالات الموسيقى وما شابهها. وذلك بأستخدام أسطح ماصة للصوت في الأسقف والجدران والأرضيات والسطوح الأخرى لمنع انعكاس الصوت.
الضجيج أو الضوضاء فهي عبارة عن صوت معقد أو خليط من العديد من الترددات المختلفة لا يوجد تناغم صوتي بينها.

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق