ساز و کار صدا به چه صورت است؟

 

صدا چیست؟

صدا ارتعاش شنیدنی اجسام است. این ارتعاش می تواند از چوب، فلز، آب یا هر جسم دیگری باشد. در بیشتر مواقع صدایی که ما میشنویم، حاصل از ارتعاش مولکولهای هواست. اگر دقیق تر بخواهیم بگوییم، صدا حاصل از امواج در حال تغییر فشار هوای مثبت و منفی است که انرژی آکوستیکی نام دارد.

 

فازهای یک موج صوتی

سنگریزه ای را متصور شوید که درون برکه ای انداخته می شود. آب به سمت پایین هل داده شده و سپس به سمت بالا برمیگردد. این باعث بوجود آمدن دایره های هم مرکزی میشود که از نقطه ی مرکزی دور میشوند. پایین و بالا رفتن آب در نقطه ی برخورد سنگریزه، این حلقه ها را ایجاد میکند.

شکلهای زیر توسط Dr. Dan Russell درست شده اند.

هر حرکت به سمت پایین، حرکتی به سمت بالا را در پی دارد. چنین پدیده ای در شکل زیر قابل مشاهده است که تولید موج را در سطح آب به نمایش گذاشته است. به مرور زمان از شدت این امواج کاسته می شود و در نهایت ارتعاششان با تمام شدن انرژی، خاتمه می یابد.

 

 

اگرچه شکل های بالا مربوط به انتقال موج در سطح آب هستند، همین اتفاق برای امواج صدا در سفرشان از طریق مولکولهای هوا نیز می افتد.

امواج صوتی از دو فاز پایه تشکیل شده اند: فشرده شدن و رقیق شدن

 

 

فشرده شدن و رقیق شدن

برای درک و تصور حرکت امواج صوتی در هوا، طبلی را در نظر میگیریم. به تصاویر زیر دقت کنید.

وقتی که بر روی طبل زده می شود، همانطور که در شکل 1 دیده می شود سطح طبل پایین می رود. ذرات هوای پیرامون سطح طبل نیز که حالا یک فضای خالی را زیر خود می یابند به  سرعت به آنجا می شتابند تا بدین ترتیب یک فضای فشار منفی به دلیل پخش شدن ذرات هوا ایجاد شود. به این اتفاق "رقیق شدن" می گوییم. "رقیق شدگی" همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، رقیق شدن ذرات هواست.

رقیق شدگی زمانی اتفاق می افتد که فشار نسبی هوا کاهش یابد

 

دقیقا مثل مثال سنگریزه و برکه، حرکت رو به پایین سطح طبل، همانطور که در شکل 3 دیده می شود با یک حرکت برگشتی رو به بالا همراه است. وقتی سطح طبل به بالا برمیگردد، مولکولهای هوا را به یکدیگر می فشارد. شکل 4 این فشرده سازی را نشان می دهد.

فشرده شدن زمانی اتفاق می افتد که فشار نسبی هوا افزایش یابد

 

 

امواج صوت چگونه انتقال می یابند

حرکت سطح طبل نه تنها بر روی مولکولهای هوا تاثیر می گذارد بلکه باعث یک واکنش زنجیره ای نیز میگردد. درست مثل آن سنگریزه که در برکه می افتد، تولید موج نیز تا زمانی که فشار هوا به تعادل برسد ادامه می یابد.

به شکلهای زیر که توسط Dr. Daniel A. Russell درست شده اند دقت کنید. این شکلها بهترین ابزار برای تصور و درک واکنش زنجیره ای یا امواج صدا هستند که در هوا منتقل میشوند.

وقتی صدای طبل یا صدای هر منبع صدای دیگری را می شنوید، در واقع در حال شنیدن ارتعاشات هوا هستید که آن طبل یا منبع صدا ایجاد می کند. این طبل یا مولکولهای هوا نیستند که مستقیما پرده ی گوش شما را می لرزانند. با توجه به شکل بعدی می توانید ملاحظه کنید که ذرات هوا فقط عقب و جلو میروند. موج صوتی که به گوش شما می رسد، نتیجه ی انرژی ای است که از یک ذره به ذره ی دیگر منتقل می گردد. مولکولهای هوا جابجایی چندانی ندارند.

 

 

قانون عکس مجذور

در مثال سنگریزه که به درون برکه می افتد، دیدیم امواج در شکل گیری و حرکتشان از نقطه ای که سنگریزه به داخل برکه افتاده، در دو بعد گسترده می شوند و حلقه ها را روی آب ایجاد میکنند.

اگر مانعی بر سر راه نباشد، صدا در سه بعد از منبع صدا به بیرون منتشر می شود و یک کره ی انرژی آکوستیکی ایجاد میگردد.

 

با حرکت موج و دور شدن آن از منبع، از شدت آن کاسته می شود. کاهش شدت صدا وقتی از منبع صدا دور میشویم، تحت قانون عکس مجذور توصیف می شود. وقتی فاصله دو برابر می شود، شدت صدا چهار برابر کاهش می یابد.

قانون عکس مجذور پیشبینی می کند که با بزرگتر شدن سطح کره ی انرژی آکوستیکی، شدت صدا کاهش می یابد.

 

سرعت صوت

سرعت صوت، تابعی است از محیطی که امواج صوتی را منتقل می کند.

برای مثال، صدا در آب، آرام تر از هوا منتقل می شود. دمای هوا نیز متغیر دیگری است که بر سرعت صوت تاثیر می گذارد.

برای آسان شدن کارمان، سرعتی را بعنوان سرعت صوت داریم. سرعت استاندارد برای صوت 1130 فوت بر ثانیه (344 متر بر ثانیه) است. این سرعت، سرعت امواج صوت در دمای استاندارد 59 درجه فارنهایت (15 درجه سلسیوس) است.

امواج صدا با این سرعت، در هر 1.1 میلی ثانیه، 1 فوت جابجا می شوند.

در یک محیط خاص، هر صدایی بدون توجه به خصوصیت صدا، سرعتی یکسان دارد.

 

خصوصیت امواج صوتی

حالا که میدانید امواج صوتی چه هستند، بیایید نگاهی بیندازیم به خصوصیاتی که برای توصیف امواج صوتی استفاده میشود. در این بخش، با فاز، فرکانس، دامنه، دوره تناوب و طول موج آشنا می شوید.

 

فاز

امواج صوتی، سیکل هایی از تغییرات مثبت و منفی فشار هستند. فازهای فشار مثبت با فازهای فشار منفی دنبال می شوند و این به همین ترتیب تکرار می شود.

اگر یک موج صوتی را روی نمودار بیاورید، نمودار دایره ای را نشان می دهد. بالاترین نقطه ی دایره، بیشترین فشردگی و پایین ترین نقطه ی دایره، بیشترین رقیق شدگی است.

فاز یک موج، نقاط مختلف روی محیط دایره یا روی مسیر پیشروی موج را نشان می دهد.

اگر به نمودار موج صوتی، زمان اضافه شود، نمودار از دایره به یک موج سینوسی تغییر شکل می دهد. شکل زیر برای درک و تصور این مطلب بسیار عالی است. در این نمودار، محور عمودی، در بالاترین نقطه و پایین ترین نقطه همچنان بیشترین فشردگی و بیشترین رقیق شدگی را نشان می دهد و محور افقی هم گذشت زمان را از راست به چپ به ما می دهد.

 

 

درجه (0 -360 درجه)

واحد اندازه گیری فاز، درجه است

موج صوتی یک حرکت دایره ای است، بنابراین فازش هم با درجه که از 0 تا 360 است مشخص میگردد.

نقطه ی شروع موج که صفر درجه باشد می تواند در هر جایی در طول موج باشد.

در شکل بالا نقطه ی شروع، ابتدای فاز فشرده سازی، جایی است که خط با محور افقی یکی می شود و از آنجا به طرف بالا حرکت می کند. ارتفاع فاز فشردگی هم 90 درجه است که قله ی موج میشود. خط در چرخشش در 180 درجه دوباره با محور افقی یکی می شود. 270 درجه جایی است که رقیق سازی در بیشترین مقدار خود قرار دارد. این نقطه نقطه ی قعر موج است.

 

 

 

فرکانس

یک دور 360 درجه، سیکل یا دور نامیده می شود. امواج صوتی، چرخششان سریع بوده و در هر ثانیه سیکل های متعدد فشار مثبت و منفی را تمام می کنند.

فرکانس یک موج صوتی تعیین می کند که چه تعداد سیکل در ثانیه تکمیل شده است.

ما انسان ها قادر به شنیدن امواج صوتی 20 الی 20 هزار سیکل در ثانیه هستیم!

فرکانس و زیر و بمی صدا

فرکانس با زیر و بمی موسیقیایی مطابقت دارد و این زیر و بم نیز متاثر از چندین متغیر دیگر است.

بطور کلی هرچه فرکانس بالاتر باشد صدا زیر تر است.

برای مثال دو برابر کردن فرکانس صدا، صدا را یک اکتاو زیرتر میکند. اگر فرکانس صدا نصف گردد، صدا یک اکتاو بم تر می شود.

هرتز (Hz)

واحد اندازه گیری فرکانس، هرتز است که بطور مخفف بصورت Hz نشان داده می شود. هرتز یک واحد اندازه گیری است که سیکل بر ثانیه را نشان می دهد.

یک دور بر ثانیه، 1Hz یا یک هرتز است. هزار دور بر ثانیه، 1000 KHz یا یک کیلوهرتز است.

همانطور که بالاتر گفته شد، انسان می تواند صداهای بین 20 تا 20 هزار سیکل بر ثانیه را بشنود. اگر با واحد اندازه گیری هرتز بنویسیم، باید بگوییم که بازه ی شنوایی انسان از 20 Hz تا 20 KHz است.

 

دوره تناوب

همانطور که بالاتر گفته شد، فرکانس، تعداد سیکل انجام شده در ثانیه است.

دوره تناوب، مدت زمانی است که یک موج، سیکل 30 درجه ای خود را کامل می کند.

 

 

 

 

دوره تناوب و زمان

 

واحد اندازه گیری دوره ی تناوب، زمان است که معمولا با ثانیه یا میلی ثانیه بیان می شود.

دوره تناوب یک موج یک هرتزی، یک ثانیه است. دوره تناوب یک موج دو هرتزی نیم ثانیه است.

وقتی وارد محدوده ی فرکانسی قابل شنیدن توسط انسان میشویم، میلی ثانیه بیشتر از ثانیه به دردمان می خورد. یک طول موج 20 هرتزی، دوره تناوبی برابر با 50 میلی ثانیه دارد.

فرمولی که برای به دست آوردن دوره ی تناوب استفاده می شود بسیار ساده است: دوره تناوب (ثانیه) = یک تقسیم بر فرکانس

اگر میخواهید دوره تناوب را به میلی ثانیه بدانید از این فرمول استفاده نمایید: دوره تناوب (میلی ثانیه) = هزار تقسیم بر فرکانس

 

فرکانس

دوره تناوب به ثانیه

دوره تناوب به میلی ثانیه

100 Hz

0.01 s

10 ms

1 kHz

0.001 s

1 ms

10 kHz

0.0001 s

0.1 ms

 

طول موج

طول موج معمولا با دوره تناوب اشتباه گرفته می شود در صورتیکه این دو با هم بسیار متفاوت اند. دوره تناوب، مدت زمان است در صورتی که طول موج، مسافت است.

طول موج مربوط به یک فرکانس، مسافتی است که آن موج با کامل کردن سیکل خود می پیماید.

فرکانس های بالاتر، طول موج کوتاه تری دارند درحالیکه فرکانس های پایینتر دارای طول موج های بلندتری اند.

این واقعیت را می توانید در شکل زیر مشاهده کنید. شکل های زیر برای درک و تصور ارتباط میان فرکانس و طول موج فوق العاده اند.

 

 

طول‌موج و فاصله

همان‌طور که بالاتر اشاره شد، طول‌موج صوت با تغییر سرعت صوت تغییر می‌کند. سرعت صوت نیز با عوض شدن چگالی ذرات حامل صدا عوض می‌شوند.

برای محاسبه‌ی طول‌موج یک فرکانس خاص از این فرمول می‌توانید استفاده کنید:

طول‌موج فرکانس = سرعت صوت تقسیم بر فرکانس

اگرچه تغییرات دما و رطوبت روی این محاسبه تاثیر گذار هستند، استفاده از سرعت صوت استاندارد 1130 فوت بر ثانیه نتیجه‌ی نسبتاً دقیقی را به همراه دارد.

 

دامنه

دامنه‌ی صوت، میزان تغییرات فشار را توصیف می‌کند. موج‌هایی که دامنه‌ی بالایی دارند، موج‌هایی هستند که میزان فشردگی و رقیق‌شدگی بالایی دارند و موج‌هایی که دامنه‌ی پایین‌تری دارند، موج‌هایی هستند که تغییرات فشارشان، خفیف‌تر است.

دامنه، محدوده و شدت نیروی ایجاد شده توسط یک موج صوتی را توصیف می‌کند.

دامنه و بلندی صدا

دامنه‌ی صدا به بلند بودن موج صدا مربوط می‌شود. دامنه‌ی صدا بخشی از موج صدا است که روی محور عمودی نمودار موج صدا، اندازه‌گیری می‌شود.

هرچه دامنه بیشتر باشد صدا بلندتر است و هرچه دامنه کمتر باشد، صدا نیز کمتر خواهد بود.

 

 

خط میانه‌ی نمودار، دامنه‌ی صفر را نشان می‌دهد که به معنی فشار هوای نرمال است. هم‌زمان که موج مسیرش را به بالا یا به پایین محور افقی ادامه می‌دهد، دامنه رشد می‌کند. مقدار عددی دامنه می‌تواند مثبت یا منفی باشد.

در فاصله‌ی بین فشردگی و رقیق‌شدگی، موج از خط میانه عبور می‌کند. این بدین معناست که در یک لحظه دامنه صفر می‌شود یعنی اینکه سطح فشار به حالت عادی خودش برمی‌گردد. سطح فشار، بین هر مثبت و منفی، به حالت نرمال درمی‌آید.

دسی‌بل (dB SPL)

واحد اندازه‌گیری فشار هوا پاسکال است اما ما فشار هوا را با استفاده از دسی‌بل اندازه‌گیری می‌کنیم.

دسی‌بل یک واحد اندازه‌گیری است که برای اندازه‌گیری نسبت تغییرات دامنه‌ی یک موج صدایی استفاده می‌گردد. مخفف شده‌ی دسی‌بل، برای یک فشار صدا dB SPL است.

دلیل اینکه به جای پاسکال از دسی‌بل استفاده می‌شود این است که انسان، می‌تواند محدوده‌ی وسیعی از دامنه‌های صدایی را بشنود. پاسکال یک واحد اندازه‌گیری خطی است در حالیکه دسی‌بل یک واحد اندازه‌گیری لگاریتمی می‌باشد. بهترین راه فهمیدن این موضوع این است که محدوده‌ی شنوایی انسان را در پاسکال و در dB SPL مقایسه کنیم.

ستون اول جدول زیر، محدوده شنوایی انسان در واحد پاسکال و ستون دوم آن محدوده‌ی شنوایی انسان در واحد دسی‌بل است. عددهای نوشته ‌شده در جدول از ضعیف به قوی مرتب شده‌اند.

 

منبع صدا (فاصله یک متری)

فشار صوت به دسی‌بل

فشار صوت به پاسکال

ضعیف‌ترین صدای قابل‌شنیدن توسط انسان

0 dB SPL

0.00002 Pa

حرف زدن

60 dB SPL

0.02 Pa

موسیقی

80 dB SPL

0.2 Pa

شدیدترین صدای قبل شنیدن توسط انسان

120 dB SPL

20 Pa

 

محدوده‌ی شنوایی انسان از 0.00002 تا 200 پاسکال است. این اعداد برای محاسبه و استفاده اصلاً راحت نیستند. در عوض استفاده از مقیاس لگاریتمی دسی‌بل به ما اعداد بسیار بهتر و راحت‌تری را می‌دهد.  

در ابتدا کمی گیج‌کننده به نظر می‌رسد. برای همین کافی است فقط یک چیز را در مورد dB SPL به یاد داشته باشید: اضافه کردن 6dB فشار صدا را دو برابر می‌کند و کم کردن 6dB فشار هوا را نصف می‌نماید.

با گذشت زمان، قلقش دستتان می‌آید. اگر این مدلی برای شما هم جدید است، کاملاً طبیعی است که فکر کنید درست متوجه موضوع نشده‌اید. اصلاً سخت نگیرید چون به‌مرورزمان این مشکل برطرف می‌شود.

 

با مبانی صوت شروع کنید

اگر فقط یک چیز را بخواهیم به شما توصیه کنیم تا بتوانید در زمینه‌ی تولید صدا موفق شوید، یادگیری مبانی صوت است. اگر این را بلد شوید که هر چیزی چرا آن‌طور کار می‌کند که کار می‌کند، می‌توانید از هر چیز سر درآورید. واقعیت این است که هر روز قرار است با تجهیزات جدیدی در موقعیت‌های مختلف سروکار داشته باشید. یادگرفتن اصول و مبانی، به شما اجازه می‌دهد که در هر اتفاق و وضعیتی به هوشمندانه‌ترین شکل ممکن، واکنش نشان دهید.