صدا چیست و چگونه تولید میشود؟
صدا (sound) در علم فیزیک، انرژی ارتعاشی است که از طریق لرزش مولکول‌های مختلف در هوا، جامدات و مایعات منتقل میشود و به گوش ما می‌رسد، سپس توسط مغز پردازش و قابل‌درک میشود. صدا ویژگی‌ها، طول موج‌ها و فرکانس‌های مختلفی دارد. جالب است بدانید که انسان قادر به شنیدن فرکانس‌های بین ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز است و این نشان می‌دهد که صداهای زیادی در طبیعت وجود دارند که ما قادر به شنیدن آن‌ها نیستیم. به‌عنوان‌مثال، مورچه بلندترین صدای جهان را دارد که فرکانس صدای آن جزو صداهای فراصوت محسوب میشود.
ما معمولاً صداها را می‌شنویم و از کنارشان عبور می‌کنیم؛ اما اهمیت صدا در زندگی انسان بسیار زیاد است. آشنایی با ویژگی‌های مختلف صدا باعث میشود که دانش فرد افزایش یابد و بتواند بهتر اتفاقات و پدیده‌های اطراف خود را درک کند. اگر شما هم سیستم صوتی خانگی یا سیستم صوتی خودرو دارید یا کنجکاوید بدانید که ارتباطات از طریق دکل‌های مخابراتی و BTS در شرایط مختلف چگونه ممکن است، این مقاله را از دست ندهید.
صدا چیست؟
صدا در واقع انعکاسی از یک واکنش فیزیکی است که از طریق انتقال انرژی ارتعاشی به مولکول‌ها ایجاد میشود. این واکنش می‌تواند در مولکول‌های گاز، جامد، مایع یا حتی ترکیبی از این‌ها رخ دهد. درهرصورت، این انرژی ارتعاشی باعث ایجاد صدا میشود و مسیر خود را تا رسیدن به گوش ما طی می‌کند. بنابراین، در فضایی مانند خلا که هوایی برای انتقال امواج صوتی وجود ندارد، حتی اگر یک زنگوله را تکان دهیم، صدایی از آن به گوش نمی‌رسد.
شنیدن یکی از حواس پنجگانه ما به‌شمار می‌رود و بخش عمده‌ای از ارتباط با دیگران از طریق گوش و شنیدن صدا انجام میشود. صدا در انواع مختلفی وجود دارد و هر کدام ویژگی‌ها و خصوصیات منحصربه‌فرد خود را دارند. سرعت صدا هم با واحد‌های خاصی اندازه‌گیری میشود و هر صدا از ویژگی‌هایی برخوردار است که می‌تواند آن را شناسایی کند. نکته‌ی مهم و پایانی درباره صدا این است که از یک منبع تولیدشده و از طریق انتقال امواج به گوش ما می‌رسد.
خصوصیات صدا
صدا ویژگی‌های متنوعی دارد که با تغییر هر یک از آن‌ها، می‌توان صدای منحصربه‌فردی را شنید. تارهای صوتی انسان را می‌توان به سیم‌های یک گیتار تشبیه کرد که هر یک از این سیم‌ها صدای متفاوتی تولید می‌کند. اما سیستم صوتی انسان چیزی فراتر از یک گیتار است. با استفاده از تنفس‌های دیافراگمی و تکنیک‌های حرفه‌ای مانند بیت باکسرها، انسان قادر است صدایی باکیفیتی مشابه صدای تولیدشده در استودیوهای موسیقی ایجاد کند. در این مقاله، به بررسی ویژگی‌های مختلف صدا می‌پردازیم.
این ویژگی‌ها شامل ارتفاع صدا (Pitch)، بلندی صدا (Loudness)، کیفیت صدا (Timbre) و طول موج (Wavelength) میشود که هر یک از آن‌ها نقش مهمی در شکل‌دهی به صدای شنیده‌شده دارند و می‌توانند ویژگی‌های صوتی بسیار متنوعی ایجاد کنند.
انواع صدا
صداها براساس ویژگی‌های مختلف به انواع گوناگونی تقسیم می‌شوند. این تقسیم‌بندی می‌تواند براساس قابلیت شنیدن، شدت تاثیر آن بر گوش یا ویژگی‌های فرکانسی آن باشد. به‌عنوان‌مثال، صدای پیانو جزو صداهای دلنشین و قابل‌شنیدن است که معمولا لذت‌بخش و هماهنگ به گوش می‌رسد. در مقابل، صدای ساخت‌وساز ساختمان‌ها، اگرچه برای انسان قابل‌شنیدن است؛ اما به‌دلیل شدت و ریتم نامناسب، می‌تواند آزاردهنده و ناراحت‌کننده باشد.
همچنین، برخی صداها خارج از فرکانس شنوایی انسان قرار دارند. انسان قادر است فرکانس‌های بین ۲۰ هرتز تا ۲۰.۰۰۰ هرتز را بشنود. بنابراین، صداهایی که فرکانس آن‌ها پایین‌تر از ۲۰ هرتز یا بالاتر از ۲۰.۰۰۰ هرتز باشد، برای انسان قابل‌شنیدن نیستند. این صداها به‌طور معمول در دسته صداهای فراصوت (Ultrasound) یا صداهای فروصوت (Infrasound) قرار می‌گیرند.
سرعت صدا
سرعت صوت به فاصله‌ای که یک موج صوتی در واحد زمان طی می‌کند، گفته میشود. این سرعت تحت‌تأثیر عواملی مانند چگالی محیط (تراکم مولکول‌ها) و دمای محیط قرار دارد. هرچه چگالی محیط بیشتر باشد، مولکول‌ها به یکدیگر نزدیک‌تر هستند و امواج صوتی می‌توانند سریع‌تر حرکت کنند. به‌همین‌دلیل، سرعت انتقال صوت در جامدات بیشتر از مایعات و سرعت صوت در مایعات بیشتر از گازها است.
برای مثال، در جامدات به‌دلیل تراکم بالای مولکول‌ها، مولکول‌ها سریع‌تر به یکدیگر واکنش نشان می‌دهند و امواج صوتی سریع‌تر منتقل می‌شوند. در مقابل، در گازها که مولکول‌ها فاصله بیشتری از هم دارند، سرعت انتقال صوت کمتر است.
طبق اندازه‌گیری‌ها و بررسی‌های علمی، سرعت صوت در هوای خشک و در دمای ۲۰ درجهٔ سانتی‌گراد برابر با ۳۴۳ متر بر ثانیه است. این مقدار می‌تواند با تغییر دما یا چگالی محیط تغییر کند.
فشار یا شدت صدا
شدت صدا یا فشار صدا به تغییرات انرژی یک موج صوتی در واحد زمان در یک سطح گفته میشود. برای اندازه‌گیری این شدت، از واحد دسی‌بل (dB) استفاده میشود. دسی‌بل یک واحد نسبی است که براساس لگاریتم اندازه‌گیری میشود، به‌این‌معنی که نسبت فشار یا شدت صدا در یک مقیاس لگاریتمی بیان میشود.
یک نکته جالب این است که:
- افزودن ۶ دسی‌بل باعث میشود فشار صدا دو برابر شود.
- کاهش ۶ دسی‌بل باعث میشود که فشار صدا به نصف کاهش یابد.
این ویژگی لگاریتمی دسی‌بل باعث میشود که تغییرات فشار صدا به‌راحتی قابل‌درک باشند و نسبت‌های مختلف را به‌شکل کم‌تری از اعداد بزرگ نشان دهد. بنابراین، دسی‌بل به‌عنوان واحدی بسیار کارآمد برای اندازه‌گیری تغییرات در شدت صدا در گستره‌های وسیع فرکانس و فشار استفاده میشود.
موج صوتی چیست؟
موج صوتی، به انتقال انرژی از یک مولکول به مولکول دیگر در یک محیط، گفته میشود. این انرژی از یک ذره به ذره‌ی دیگر منتقل میشود و باعث حرکت مولکول‌ها در محیطی مانند هوا، آب یا هر ماده‌ای که از آن عبور می‌کند، میشود.
وقتی چیزی مانند یک ضربه یا فشار به مولکول‌های هوا وارد میشود، این مولکول‌ها به جلو و عقب حرکت می‌کنند و این حرکت را به مولکول‌های مجاور منتقل می‌کنند، به‌طور زنجیره‌ای این انرژی در محیط پخش میشود.
موج‌های صوتی باعث لرزش پرده گوش ما می‌شوند و این لرزش‌ها سپس به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌شوند که به مغز ارسال می‌شوند و در نتیجه ما صدای آن را می‌شنویم. به‌عبارت‌دیگر، این مولکول‌ها به‌طور مستقیم پرده گوش را نمی‌لرزانند بلکه انرژی انتقال‌یافته از طریق موج‌های صوتی است که این کار را انجام می‌دهد.
خصوصیات امواج صوتی
حال که دانستید موج‌های صوتی مهم‌ترین فاکتور در تولید صدا هستند و همچنین متوجه شدید صدا چیست و چگونه تولید میشود؟ خوب است در مورد خصوصیات آن نیز اطلاع داشته باشید. در ادامه هر کدام از خصوصیات امواج صوتی را به تفصیل بیان می‌کنیم.
فازهای امواج صوتی
از مهم‌ترین ویژگی‌های امواج صوتی، فازهای آن است. تا به اینجا با روندکلی تولید امواج صوتی و صدا آشنا شده‌اید. موج‌های صوتی دارای فازهای مختلفی هستند که براساس درجه، اندازه گیری می‌شوند. برای بیان فازهای موج صوتی لازم است به مثال زیر توجه و دقت داشته باشید.
فرض کنید سنگ ریزه‌ای درون برکه انداخته میشود. آب ابتدا به‌سمت پایین و سپس به‌سمت بالا حرکت می‌کند. پایین و بالارفتن آب در نقطه‌ی برخورد سنگ‌ریزه، دایره‌های هم مرکزی را ایجاد می‌کند که به‌مرور از نقطه‌ی مرکزی دور می‌شوند.
بالا و پایین‌رفتن آب، امواج صوتی را ایجاد می‌کند که به‌مرورزمان از شدت این موج‌ها کاسته میشود و در نهایت ارتعاش‌شان با تمام‌شدن انرژی، به پایان می‌رسد. به این نکته توجه داشته باشید! مهم نیست که موج‌های صوتی در واسطه آب ایجاد شوند یا هوا، درهرصورت همین اتفاق رخ می‌دهد.
برای مثال طبلی را در نظر بگیرید که ضربه‌ای به آن زده میشود. سطح طبل ابتدا پایین‌رفته و سپس به‌سمت بالا می‌رود. زمانی که سطح طبل بالا می‌آید، مولکول‌های هوا را به یکدیگر می‌فشارد و موج‌های صوتی را ایجاد می‌کند.
خوب است بدانید! موج‌های صوتی از دو فاز پایه تشکیل شده‌اند: فشرده‌شدن و رقیق‌شدن.
در مثال طبل، زمانی که سطح طبل به‌سمت پایین می‌رود، ذرات هوای پیرامون سطح طبل که حالا یک فضای خالی را زیر خود یافته‌اند، به‌سرعت به آنجا می‌شتابند تا بدین‌ترتیب یک فضای فشار منفی به‌دلیل پخش‌شدن ذرات هوا ایجاد شود. این اتفاق «رقیق‌شدن» نام دارد. در واقع رقیق‌شدگی زمانی اتفاق می‌افتد که فشار نسبی هوا کاهش پیدا کند.
اما زمانی که سطح طبل به‌سمت بالا برمی‌گردد، مولکول‌های هوا فشرده می‌شوند. این اتفاق «فشرده‌شدن» نام دارد. زمانی که فشار نسبی هوا افزایش پیدا کند، فشردگی یا فشرده‌شدن اتفاق می‌افتد.
انواع امواج صوتی
موج‌های صوتی خصوصیات متنوعی دارند که در ادامه به معرفی انواع مختلف آن‌ها می‌پردازیم؛
- امواج صوتی طولی: در این نوع امواج، حرکت ذرات محیط موازی با جهت انتشار موج است. به‌عبارت‌دیگر، ذرات در همان مسیر انتشار موج حرکت می‌کنند. اصواتی که در طول روز می‌شنویم و از طریق هوا منتقل می‌شوند، از این نوع امواج هستند.
- امواج صوتی عرضی: در این نوع امواج، حرکت ذرات محیط عمود بر جهت انتشار موج است. در این حالت، ذرات به‌سمت بالاوپایین حرکت می‌کنند، به‌جای حرکت در راستای انتشار موج. صدای موج‌های دریا مثالی از این نوع موج‌هاست.
- امواج صوتی مکانیکی: در این امواج، ذرات هوا یا ماده‌ای که امواج از آن عبور می‌کنند، جابه‌جا می‌شوند و باعث فشار یا کشش مولکول‌های مجاور می‌شوند. این فرآیند باعث ایجاد ارتعاشات و انتقال انرژی به دیگر ذرات میشود. امواج صوتی مکانیکی معمولاً در گازها، مایعات و جامدات رخ می‌دهند.
- امواج صوتی فشار: امواج صوتی دارای دو فاز هستند؛ فشرده‌شدن و رقیق‌شدن. در این فرایند، مناطق مختلف موج به نوسان در می‌آید و از لحاظ فشار در بالاوپایین حرکت می‌کنند. این الگوهای نوسان را امواج صوتی فشار یا فشار آکوستیک می‌نامند. برای اندازه‌گیری فشار صوت در هوا، از میکروفون‌ها و برای اندازه‌گیری فشار در مایعات، مانند آب، از هیدروفون‌ها استفاده میشود.
این انواع مختلف امواج صوتی در طبیعت و زندگی روزمره ما در اشکال گوناگون حضور دارند و هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند که در انتقال صدا تأثیرگذارند.
فرکانس یا بسامد امواج صوتی
پس از اینکه متوجه شدید صدا چیست و چگونه تولید میشود؟ باید بدانید نقش فرکانس در تولید صدا چیست؟
موج‌های صوتی به‌صورت حرکات دایره‌ای و بسیار سریع می‌چرخند؛ به‌طوری‌که در هر ثانیه سیکل‌های متعدد فشار مثبت و منفی را طی می‌کنند.
به یک دور ۳۶۰ درجه، سیکل می‌گویند. به عبارتی بسامد یا فرکانس، تعداد نوسانات یک موج بر واحد زمان است که در موسیقی کاربرد بسیاری دارد.
فرکانس نشان‌دهنده تعداد سیکل‌های یک موج صوتی در ثانیه است. واحد اندازه‌گیری فرکانس، هرتز است که به طور مخفف به‌صورت Hz نشان داده میشود. در واقع هرتز واحد اندازه‌گیری است که نسبت سیکل بر ثانیه را نشان می‌دهد.
جالب است بدانید؛ ما انسان‌ها قادر به شنیدن موج‌های صوتی ۲۰ الی ۲۰ هزار هرتز در ثانیه هستیم. براین‌اساس، امواج، به دودسته امواج اینفراسونیک (امواج فروصوت) و امواج اولتراسونیک (امواج فراصوت) تقسیم می‌شوند.
امواج اینفراسونیک یا فرو صوت: این امواج صوتی فرکانسی زیر ۲۰ هرتز دارند. با اینکه برای گوش انسان قابل‌شنیدن نیستند. حیواناتی مانند نهنگ‌ها، اسب‌های آبی، کرگدن‌ها، فیل‌ها و تمساح‌ها به‌راحتی با این امواج با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.
دانشمندان از این دسته امواج برای پیش‌بینی فوران آتش‌فشان یا زلزله، بررسی فعالیت قلب یا تهیهٔ نقشهٔ شکل‌گیری نفت زیر زمین استفاده می‌کنند. امواج اولتراسونیک یا فراصوت؛ این امواج صوتی فرکانسی بالای ۲۰ هرتز دارند و برای گوش انسان قابل‌شنیدن نیستند.
بااین‌حال از این امواج در پزشکی و بررسی اندام‌های داخلی استفاده میشود. خفاش‌ها برای یافتن موانع و جای طعمه، از امواج اولتراسونیک استفاده می‌کنند.
حتماً در مورد زیروبم‌بودن صدا شنیده‌اید. مقیاس اندازه‌گیری زیروبم‌بودن صدا، فرکانس است. به‌گونه‌ای که هرچه فرکانس بالاتر باشد، صدا زیرتر میشود. در واقع با دوبرابرکردن فرکانس صدا، صدا یک اکتاو زیرتر میشود. اگر فرکانس صدا نصف گردد، صدا یک اکتاو بم‌تر میشود.
دوره تناوب امواج صوتی
به‌مدت زمانی که یک موج، سیکل ۳۰ درجه‌ای خود را کامل می‌کند، دوره تناوب می‌گویند. واحد اندازه‌گیری دوره‌ی تناوب، زمان است که معمولا با ثانیه یا میلی ثانیه بیان میشود. فرکانس‌های بالاتر، دارای دوره تناوب کمتر هستند، در‌حالی‌که فرکانس‌های پایین‌تر دارای دوره تناوب بیشتر هستند.
طول امواج صوتی
طول موج به‌مسافتی گفته میشود که یک موج برای کامل‌کردن یک سیکل نوسانی خود طی می‌کند. به‌عبارت‌دیگر، این مسافت فاصله‌ای است که از یک قله تا قله بعدی یا از یک فرورفتگی تا فرورفتگی بعدی موج اندازه‌گیری میشود.
به‌طور‌کلی، فرکانس‌های بالاتر به‌معنای طول موج‌های کوتاه‌تر هستند، در‌حالی‌که فرکانس‌های پایین‌تر طول موج‌های بلندتر ایجاد می‌کنند. این رابطه مستقیم میان فرکانس و طول موج تأثیر زیادی در ویژگی‌های صوتی صداها دارد.
دامنه امواج صوتی
به میزان تغییرات فشار، محدوده و شدت نیروی ایجاد شده توسط یک موج صوتی، دامنه صوت می گویند. موج هایی که دامنه بالا دارند، میزان فشردگی و رقیق شدگی آن ها هم بالا است.
در حالی که موج هایی که میزان فشردگی و رقیق شدگی آن ها پایین است، دامنه پایینی دارند. هرچه دامنه بیشتر باشد، صدا بلند تر است و هرچه دامنه کمتر باشد، صدا نیز کمتر خواهد بود.
صدا چگونه تولید میشود؟
صدا در واقع نتیجه ارتعاش اجسام است. وقتی یک جسم ارتعاش می‌کند، انرژی تولید میشود که این انرژی به صورت موج‌های صوتی در محیط پخش میشود. این ارتعاشات می‌توانند از گاز، مایع یا جامد عبور کنند. در بیشتر موارد، هنگامی که ما صدا می‌شنویم، این ارتعاشات از مولکول‌های هوا عبور می‌کنند و به گوش ما می‌رسند.
در واقع صدا در اثر تغییر فشار هوا ایجاد میشود. این تغییرات فشار که به‌صورت مثبت و منفی هستند، به ارتعاشات مولکول‌ها منجر میشود. این مولکول‌ها به یکدیگر برخورد و موج‌های صوتی ایجاد می‌کنند. این موج‌ها به گوش ما می‌رسند و مغز ما آن‌ها را به‌عنوان صدا درک می‌کند.
برای مثال، زمانی که یک زنگوله تکان می‌خورد، فلز آن مرتعش و ارتعاشاتش به مولکول‌های هوا منتقل میشود. این ارتعاشات از طریق هوا به گوش ما می‌رسد و وقتی به پرده گوش برخورد می‌کند، آن را می‌لرزاند. این لرزش پرده گوش باعث تحریک گیرنده‌ها و ارسال پیام عصبی به مغز میشود و ما می‌توانیم صدا را بشنویم.
فرایند شنیدن صدا به این شکل است که لاله گوش، صدا را جمع می‌کند و به مجرای گوش می‌برد. سپس این صدا از طریق استخوان‌های کوچک گوش به‌ترتیب چکشی، سندانی و رکابی منتقل میشود و از دریچه بیضی عبور می‌کند و به پرده گوش می‌رسد. این تحریکات باعث ارسال پیام عصبی به مغز میشود و در نتیجه ما صدا را می‌شنویم.
منبع صدا
شاید برایتان سوال شده باشد! چه چیزی می‌تواند عامل به‌وجودآورنده صدا یا منبع صوت باشد؟ پاسخ این سوال خیلی ساده است؛ هر چیزی که صدا تولید کند. مانند حنجره، اسپیکر، سیستم صوتی خودرو، سیستم صوتی خانگی، صدای برخورد درب به هنگام بسته‌شدن و… .
بسیاری از منابع صدا به‌صورت مصنوعی با تکنولوژی روز دنیا به‌دست بشر ساخته شده‌اند. ابزاری مانند انواع بلندگوها، سازهای موسیقی و… . انواع صداها به‌روش‌های گوناگون به گوش ما می‌رسند؛ مثلاً برای گوش‌کردن موسیقی در خودرو، استفاده از دستگاهی مانند کامپوننت لازم است.
انتقال صدا از طریق دکل‌های مخابراتی
برقراری ارتباط از راه دور یکی از نیازهای اساسی و حیاتی بشر است که در طول تاریخ تحول زیادی داشته است. از زمان هخامنشیان که افراد برای ارتباط با یکدیگر از چاپار و ارسال نامه استفاده می‌کردند؛ تا امروز که با نصب دکل‌های مخابراتی و آنتن‌های BTS (دکل‌های اینترنت) به‌سرعت نور می‌توانیم با هر نقطه‌ای در جهان ارتباط برقرار کنیم، این پیشرفت‌ها نقش حیاتی در ارتباطات انسانی ایفا کرده‌اند.
امروزه، با پیشرفت فناوری‌های ارتباطی، امواج صوتی و سیگنال‌های الکترونیکی به‌طور مستمر در حال انتقال و حرکت هستند. این امواج از طریق مختلفی چون تلفن‌های همراه، اینترنت، رادیو، تلویزیون و دیگر دستگاه‌های مخابراتی منتقل می‌شوند و به ما این امکان را می‌دهند که در کسری از ثانیه با هر فرد یا دستگاهی در دورترین نقاط دنیا ارتباط برقرار کنیم.
انتقال صدا از طریق دکل به‌این‌صورت‌است که آنتن‌های موجود در دکل به سیگنال‌های بی‌سیم از دستگاه‌های تلفن همراه در محدوده اطراف خود گوش می‌دهند و آن را دریافت می‌کنند. سپس سیگنال را به تراشه‌های توان منتقل و به تجهیزات مدیریت فرکانس ارسال می‌کنند. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید مقاله دکل مخابراتی چیست؟ را مطالعه کنید.
جمع‌بندی آنچه مطالعه کردید…
باملومگ در این مقاله با زبانی ساده و درعین‌حال تخصصی درباره چیستی صدا و انواع آن، موج صوتی، چگونگی تولید صدا، نقش دکل‌های مخابراتی در انتقال صدا و… توضیح‌داده تا نقاط مبهم ذهنتان را روشن کند. امیدواریم در این مقاله به بخش وسیعی از سوالات شما در این زمینه پاسخ داده باشیم تا بتوانید با آشنایی در مورد اصول و نحوه کار در زمینه‌ی سیستم‌های صوتی خانگی و خودرو مانند کامپوننت، دکل‌ها، آنتن‌های مخابراتی و BTS خریدی هوشندانه داشته باشید.
