درباره ی فیزیک و فلسفه

بسمه تعالی

آکوستیک

کلمۀ آکوستیک  از ریشۀ یونانی akuein، شنیدن، است که مترادف لاتین آن”Sonic”  است. (لغت ακουστός به معنی توانائی شنیدن است)

این نام را اولین بار ساور بر این علم نهاد:"من به این عقیده رسیده ام که علمی مقدم بر موسیقی وجود دارد، و آنرا آکوستیک می نامم که موضوع آن صوت به طور کلی است، درحالیکه موضوع موسیقی صدای قابل شنیدن است."(Sauveur)

آکوستیک علم صدا است؛ که با تولید صدا، انتشار صدا از منبع به گیرنده و آشکارسازی و ادراک آن سروکار دارد.

کلمۀ صدا اغلب برای توصیف دو چیز متفاوت بکار می رود: احساس شنوائی در گوش و آشفتگی در یک محیط که می تواند این احساس را ایجاد کند. با این تفکیک پرسش قدیمی" اگر در جنگلی درختی بیفتد و کسی در آنجا نباشد تا صدایش را بشنود، آیا صدایی تولید می شود؟" جواب داده می شود.

تاریخچه

شروع علم آکوستیک در میان سده های ششم و یکم قبل از میلاد مسیح است. با موسیقی که به مدت هزاران سال به عنوان یک هنر تمرین می شد، شروع شد،  اما به صورت مشهودأ علمی بررسی نشده بود تا اینکه فیثاغورث به دانگ های موسیقی علاقه مند شد. او می خواست بداند چرا برخی از دانگ ها زیباتر از بقیه هستند و جواب آن را در ارتباط با نسبت های عددی یافت(هماهنگ ها). ارسطو دریافت که صدا متشکل از انقباض و انبساط هوا است. در حدود 20 سال قبل از میلاد ویتروویس(Vitruvius) رساله ای درباب خواص آکوستیکی تئاترها (تماشاخانه) که مباحثی در تداخل، پژواک ها و طنین را شامل می شد و شروع آکوستیک معماری بود، نوشت.

فهم فیزیکی فرایندهای آکوستیکی در حین انقلاب علمی و بعد ازآن به سرعت پیشرفت کرد. گالیله و مرسن(Galileo(1564-1642) and Mersenne(1588-1648)) مستقلأ قانون تارهای مرتعش را کشف و کاری را که فیثاغورث در 2000 سال پیش شروع کرده بود کامل کردند. گالیله نوشته است:"امواج تولید شده توسط ارتعاشات جسم پرصدا، که درمیان هوا گسترده می شوند و به گوش میانی می رسند محرکی است که مغز آن را به عنوان صدا می شناسد." این جملۀ به یادماندنی اشاره به شروع آکوستیک فیزیولوژیکی و روانشناسی دارد. اندازه گیری تجربی سرعت صوت در هوا، در سالهای میانی 1630 و 1680 توسط تعدادی از پؤوهشگران، که برجسته ترین آنها مرسن است، صورت گرفت. نیوتن( Newton (1642-1727)) نیز رابطه ای برای سرعت موج در جامدات بدست آورد Principia (1687) ، که سنگ بنای آکوستیک فیزیکی است.( البته رابطه نیوتن توسط لاپلاس با جایگزین کردن الاستیسیتۀ همدما با آدیاباتیک که با ضریب γ ازآن بزرگتر است بصورت رابطۀ امروزی   v=(γp/ρ)^1/2  درآمد، که با تجربه سازگارتر است.)

دوران روشنی فکر و بعد از آن

 قرن هجدهم شاهد پیشرفت های مهمی در آکوستیک به دست ریاضیدانان بزرگ آن دوره بود که روش های جدید حساب دیفرانسیل و انتگرال را بر جزئیات نظریۀ انتشار امواج اعمال کردند. در قرن نوزدهم غول های آکوستیک، هلمهولتز در آلمان که آکوستیک فیزیولوژیکی را یکپارچه کرد و لرد ریلی در انگلستان، که دانش گذشته را با سهم فراوان خودش در کتاب تاریخی خود "نظریۀ صوت" درهم آمیخت. همچنین در این سده وتستون، اهم و هانری ، تشابهی میان الکتریسیته و آکوستیک برقرار کردند.

قرن بیستم شاهد شکوفائی کاربردهای گسترۀ بزرگی از دانش علمی ای بود که تا آن زمان بدست آمده بود. اولین چنین کاربردهایی ، کار پیشگامانۀ سابین (Sabine) در آکوستیک معماری بود. آکوستیک زیرآبی در جنگ جهانی اول برای ردیابی زیردریایی ها بکار رفت. ضبط صدا و تلفن نقش مهمی در دگرسازی جهانی جوامع، دارند. اندازه گیری و تحلیل صوتی به خاطر استفاده از وسایل الکترونیکی و محاسباتی، به درجۀ بالائی از دقت و پیچیدگی رسیده است. فرکانس فراصوتی ، نوع جدیدی از کاربردها را در صنعت و پزشکی، فراهم می سازد. انواع جدیدی از مبدل های صوتی(تولید کننده و گیرندۀ انرژی صوتی)اختراع شده و مورد استفاده قرار گرفته اند.

آکوستیک: علم صدا

آکوستیک یک علم میان رشته ای است که نظام های آکادمیک فیزیک، مهندسی، روانشناسی، گفتار، شنودشناسی، موسیقی، معماری، فیزیولوژی، نورولوژی، و غیره را در بر می گیرد.

نمونه هایی از شاخه های آکوستیک عبارتند از: آکوستیک معماری، آکوستیک فیزیکی، آکوستیک موسیقائی، روان آکوستیک، الکتروآکوستیک، کنترل نویز(نوفه)، تلاطم و ارتعاش، آکوستیک زیرآبی، گفتار، آکوستیک فیزیولوژیکی و ...

صدا را می توان به روش های متفاوتی تولید کرد:

اجسام مرتعش: وقتی یک پوسته یا غارغارک شروع به ارتعاش می کنند، جابجا شدن هوا،موجب نوسان و افت و خیز فشار موضعی آن می شود.

تغییرات جریان هوا: وقتی صحبت می کنیم یا آواز می خوانیم، محفظۀ صوتی ما باز و بسته می شود تا پف های هوا از میان آن عبور کنند. در یک آژیر خطر سوراخ های روی یک صفحۀ چرخنده متناوبأ هوا را آزاد و حبس می کنند و صدائی بلند تولید می کنند.

منابع گرمائی وابسته به زمان: یک جرقۀ الکتریکی ترق تروق راه می اندازد، یک انفجار به خاطر انبساط هوا بدلیل گرمایش سریع، صدای مهیبی دارد. تندر(رعد) ناشی از گرمایش سریع توسط زبانه ای از برق است.

جریان فراصوتی: امواج شوکی که ناشی از رانش مافوق صوتی هوا توسط یک هواپیما یا یک موشک سریعتر از صوت رخ می دهد.

صداهایی که ما می شنوییم: بازۀ شدت و فرکانسی، که برای سیستم شنوائی انسان قابل فهم است، جالب توجه است. نسبت شدت صداهای آزار دهندۀ گوش و کمترین شدتی که می توانیم بشنویم 10^12  است. نسبت بیشترین و کمترین فرکانس قابل شنیدن در ما 10^3 یا بیشتر از نه اکتاو( هر اکتاو نشان دهندۀ دوبرابر شدن فرکانس است2^10 ) است. دید انسان نیز جالب توجه است، اما بازۀ فرکانسی آن قابل قیاس با شنوائی نیست. محدودۀ فرکانسی دیداری اندکی کمتر از یک اکتاو است 

 (4*[10^14] –7*[10^14]

 با این محدودۀ یک اکتاوی ما می توانیم بیشتر از 7 میلیون رنگ را تشخیص دهیم، حال که محدودۀ فرکانسی شنوائی 9 مرتبه بزرگتر است، تصور کنید چند تا رنگ صوتی می تواند امکانپذیر باشد.

انسان ها و دیگر حیوانات از صدا برای ارتباط استفاده می کنند و بنابراین اینکه شنوائی انسان بیشتر به محدودۀ فرکانسی ای که توسط گویائی تولید  می شود، حساس است شگفت انگیز نیست. بدون شک این یک نتیجۀ منطقی از انتخاب طبیعی است. مشابه این مطابقت در جهان جانوران فراوان است. مشاهدات خام نشان می دهند که حیوانات کوچک از فرکانس های بالا و حیوانات بزرگ از فرکانس های پائین جهت ارتباط استفاده می کنند. ثابت شده که فرکانس آواز یک حیوان با جرم او تقریبا به صورت، فرکانس متناسب با عکس ریشه سوم جرم، در ارتباط است.

کمترین مقدار انرژی صوتی قابل شنیدن از مرتبۀ [10^(-20)]J ( مقایسه کنید با حساسیت چشم: در حدود یک کوانتوم نور در مرکز طیف مرئی ،

تقریبأ [4*10^(-19)]J ) است. حد بالائی فشار صوتی قابل تولید محدود به فشار اتمسفر است. یک چنین موج صوتی نهائی ای ، تراز فشار صوتی درحدود 191dB خواهد داشت. البته در عمل ، اثرهای غیر خطی ، این تراز را بسیار کم می کنند و ماکزیمم فشار را محدود می کنند. دامنۀ بزرگ امواج صوتی شکل موج را به هم خواهد ریخت و آنرا به یک شوک با شکل موج دندان اره ای تبدیل خواهد کرد.

صداهایی که نمی توانیم بشنویم: فراصوت و فرو صوت

موج های صوتی با فرکانس پائین تر و بالاتر از شنوائی انسان را فرو صوت و فراصوت گویند. این اصوات خواص جالبی دارند و بطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. فراصوت در تصویرگیری صنعتی و طبی بسیار مهم است. همچنین پایه ای برای شماری از روش های طبی درحال رشد، چه جنبۀ تشخیصی و درمانی است. فراصوت کاربردهای علمی زیادی مخصوصأ در مطالعۀ جامدات و مایعات دارد.

فرکانس هایی به بزرگی  500MHz با طول موج حدود 0.6µm در هوا تولید شده که در حدود طول موج نوری و هم مرتبه با مسیر آزاد میانگین مولکولهای هوا است. وقتی مرتبۀ طول موج صوت در یک گاز حدود مسیر آزاد میانگین مولکولهای آن شود، در اینجا گاز مانند یک محیط پیوسته رفتار می کند و این یک حد بالائی برای فرکانسی که صوت می تواند منتشر شود، است. در جامدات فرض پیوستگی به فاصلۀ بین مولکولی در حدود 0.1nm می رسد، که تا فرکانس در حدود [10^12]Hz است. محدودیت نهایی وقتی است که طول موج در حدود دوبرابر فاصلۀ میان یاخته های بسیط یک بلور باشد، جایی که انتشار صوت چندین بار پراکنده شده، مشابه پخش گرما است.

بعضی پدیده های طبیعی، تولید کنندگان بزرگ فروصوت هستند. وقتی کراکاتوآ(آتشفشانی دراندونزی) منفجر شد، پنجره های صدها مایل دورتر شکستند. زمین و جو، هر دو ساعت ها طنین داشتند. موج شوک ناگهانی یک انفجار، یک سیگنال فروصوتی بغرنج را به پیرامون می برد. زمین لرزه موج های فروصوتی قوی تولید می کند. امواج سریعP (اولیه) مربوط به نقاط دور دهها ثانیه زودتر از امواج S (ثانویه) می رسند.( موج های P حامل اطلاعات و امواج S حامل انرژی اند.) برخی از ماهی ها و حیوانات می توانند این امواج فروصوتی منادی را حس کنند و ترس و تشویش از خود نشان دهند.

برخی از شواهد و مدارک نجومی نشان می دهند که امواج صوتی بسیار کهن، با فرکانس بسیار پائین در 380,000 سال ابتدائی جهان، منتشر می شدند. در آن زمان جهان پلاسمائی از ذرات باردار و برای تابش الکترومغناطیسی کدر بود.

 بنابراین صوت از نور قدیم تر است.

 

صداهایی که نمی خواهیم بشنویم: کنترل نویز محیطی

سروصدا (نویز) به عنوان یکی از مسائل بحرانی آلودگی محیطی ما بطور فزاینده مورد بررسی قرار گرفته است. همانند آلودگی هوا و آب، آلودگی صوتی نیز با افزایش تراکم جمعیت، افزایش می یابد. در شهرها این مسئله تهدیدی جدی برای کیفیت زندگی ماست. کاهش قدرت شنوائی ناشی از سروصدا یک مشکل برای میلیون ها نفر کارگر در محیط های پرصدا است. انسانها علاوه بر کاهش شنوائی رایج، به شیوه های دیگری نیز از سروصدا تاثیر می گیرند. تداخل با صحبت کردن، اختلال خواب، و دیگر مشکلات روانی و فیزیولوژیکی ناشی از سروصدا، موضوع مطالعات مهمی قرار گرفته است.

از نظر محیطی خوشبختانه پر سروصداترین ماشینها نیز انرژی کمی را به صوت تبدیل می کنند. برای مثال یک موتور جت هواپیما، در حدود یک کیلووات انرژی آکوستیکی تولید می کند، که کمتر از 0.02% انرژی مکانیکی خروجی آن است. اتومبیل ها نیز درحدود 0.001% توانشان را بصورت صدا بروز می دهند. با اینحال بدلیل بسیار زیاد بودن ماشین های درحال کار در جوامع بسیار مهم است که صدای ناشی از آنها را کمتر کنیم و برای جلوگیری از انتشار صدا در محیطمان اقدام کنیم. و بهترین اقدام کاهش صدای منتشر شونده از منبع است، و تا حدی می توان از تراگسیل این صداها از چشمه به گیرنده جلوگیری کرد. کاهش همهمۀ کلاس ها، که در بسیاری از مدارس مانعی برای یادگیری است، توجه آکوستیکدانان و مقامات حکومتی را جلب کرده است.

 

کتابدستی آکوستیک از انتشارات  Springerکتابدستی آکوستیک 2007

کتابدستی حاضر حوزۀ وسیعی را پوشش می دهد. در 28 فصل از تاریخ آکوستیک تا انتشار صوت در اتمسفر، از آکوستیک غیر خطی و زیرآبی تا گرما آکوستیک و آکوستیک تالار کنسرت را بررسی می کند. همچنین آکوستیک موسیقائی شامل موسیقی الکترونیکی و کامپیوتری، گفتار و آواز، ارتباطات حیوانات(وال ها) به عنوان بیو آکوستیک به طور کلی، روان آکوستیک  (سایکو آکوستیک) و آکوستیک طبی را مورد بررسی قرار می دهد.

همچنین بخش هایی را به آکوستیک ساختمانی، ارتعاش و نوفه و روش های اپتیکی برای اندازه گیری آنها، میکروفن ها و تنظیم آنها، آرایه های میکروفن و هیدروفن، هولوگرافی آکوستیکی، تجزیه و تحلیل مدل و چیزهای دیگری که مورد نیاز دانشمندان و مهندسان حرفه ای است، اختصاص داده است. این کتاب توسط جمعی از نویسندگان و متخصصان آکوستیک در سراسر دنیا نوشته شده است.

بدون شک این کتابدستی بسیاری از نیازهای روز(علم روز آکوستیک) را پوشش می دهد. مگر آنهایی که بعد از انتشار این کتاب کشف شوند.البته از آنجا که آکوستیک علمی وسیعتر از آنست که در یک کتابدستی یک جلدی گنجانده شود، سعی شده فقط به موضوعات داغ در این حوزه و همچنین مبانی و کاربردهای تکنولوژیکی آن پرداخته شود. بسیاری از مطالب با دقت و جزئیات کامل ریاضی بحث شده اند.

از اینجا می توانید کتابدستی آکوستیک از انتشارات Springer را مجانی دانلود کنید.

http://rapidshare.com/files/71373779/0387304460.djvu

http://deposeitfiles/files/2435106

+ نوشته شده در  87/06/11ساعت   توسط محمد فاضل حبیبی  |