موضوع: مدلسازی صوت و مدلهای شدت تراز صوت

موج چيست؟

براي انتقال انرژي از يک نقطه به نقطه ديگر، راههاي متفاوتي وجود دارد. در برخي راههاي انتقال انرژي؛ ماده حامل و منتقل کننده انرژي است. يکي از راههاي انتقال انرژي ، حرکت موجي است. در اين نوع انتقال، ماده منتقل نمي شود بلکه موج عامل انتقال انرژي است. در نتيجه موج عبارت است از يک تغيير شکل تناوبي که در محيط منتشر مي شود و انرژي را بدون انتقال ماده جابجا مي کند. انواع موج

بطور کلي امواج را به 2 دسته کلي تقسيم مي کنند: 1. امواج مکانيکي : آن دسته از امواجي هستند که فقط مي توانند در محيطهاي مادي منتشر شوند. اين محيط هاي مادي مانند طناب (يک بعدي)، يا سطح آب (دو بعدي) و يا جو زمين (سه بعدي) هستند. نمونه هايي از امواج مکانيکي ، امواج صوتي، امواج سطح آب و امواج زلزله مي باشد. براي پيدايش و انتشار اينگونه امواج، دو عامل اساسي لازم است : منبع انرژي توليد کننده موج و محيط قابل ارتعاش. 2. امواج الکترومانيتيک : امواجي هستند که به وسيله دو ميدان متناوب عمود بر هم الکتريکي و مغناطيسي توليد مي شوند. اين امواج مي توانند علاوه بر محيطهاي مادي که براي آنها شفاف باشد از خلأ نيز عبور کنند. نمونه اي از اين امواج، نور است که با سرعت [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image002.gif[/IMG] از خلأ عبور مي کند. امواج الکترومانيتيک، طيف گسترده اي دارند و شامل اشعه کيهاني، اشعه گاما، اشعه ايکس، اشعه ماوراي بنفش، نور، امواج زير قرمز، امواج گرمايي و امواج راديويي هستند. محيط قابل ارتعاش

محيط قابل ارتعاش عبارت است از محيطي که اگر تغيير شکلي در يک نقطه آن ايجاد شود، پس از آنکه آن عامل ايجاد تغيير شکل از بين رفت،آن نقطه بتواند به وضع اوليه خود برگردد و اين تغيير شکل را به نقاط ديگر منتقل کند. فنر، طناب و هوا نمونه هايي از محيطهاي قابل ارتعاش هستند. براي آنکه محيطي قابل ارتعاش باشد و بتواند تغيير شکلي را از يک نقطه به نقطه ديگرمنتقل کند بايد دو شرط زير را دارا باشد : 1. هر بخش کوچکي از آن که از وضعيت اوليه خود دور مي شود، نيروي برگرداننده اي مناسب با تغيير مکان و در خلاف جهت آن از اطراف بوجود آيد و بخواهد بخش تغيير شکل يافته را به وضع اوليه خود برگرداند. مشخص است جسمي که تحت تأثير اين نيرو قرار مي گيرد، حرکتي نوساني خواهد يافت. 2. هر بخش کوجکي از محيط، قابليت تبديل انرژي جنبشي به پتانسيل و برعکس را دارا باشد. چگونه موج در يک محيط منتشر مي شود؟

هنگاميکه يک منبع موج، با مصرف کردن انرژي،تغيير شکلي (موجي) در محيط ايجاد ميکند، اين تغيير شکل به اطراف انتشار مي يابد و انرژي منبع را با خود منتقل مي کند. انتشار اين موج داراي ويژگي هاي زير است : 1. در انتشار موج ماده منتقل نمي شود. اين موضوع بوسيله موجي که در فنر منتشر مي شود و يا قرار دادن جسم سبک بر روي آبي که در سطح آن موج انتشار مي يابد؛ تحقيق مي گردد. 2. انتشار در محيط آني نيست. روشن است که زماني طول مي کشد تا موج حاصل از يک منبع به نقاط ديگر برسد و در همان لحظه پيدايش موج، نقاط ديگر محيط مرتعش نخواهد شد. 3. در يک محيط همگن سرعت انتشار موج ثابت است. 4. سرعت انتشار موج در يک محيط، به جنس و حالت ماده و شريط فيزيکي بستگي دارد. براي نمونه سرعت صوت در گازها، مايعات و جامدات متفاوت است . 5. سرعت انتشار ارتعاش به ميزان انرژي و توان منبع و نيز دامنه ارتعاش و تواتر آن بستگي ندارد. بايد توجه داشته باشيم که سرعت انتقال انرژي با سرعت ذره اي که ارتعاش مي کند؛ متفاوت است. اقسام ديگر موج

امواج علاوه بر دو حالت کلي مکانيکي و الکترومانيتيک که داراي ماهيتي جداگانه هستند؛ به امواج طولي، عرضي، پيچشي، انتقالي،کروي، مسطح، ايستاده (ساکن) و پلاريزه طبقه بندي مي شوند. - امواج طولي : در اين امواج امتداد ارتعاش بر امتداد انتشار موج منطبق است. - امواج عرضي : امواجي هستند که در آنها امتداد ارتعاش بر امتداد انتشار موج عمود است. - در اين دو موج مسير هر ذره نوساني، خط مستقيم است. - امواج پيچشي : در اين امواج مسير هر ذره قوسي از يک دايره است که معادله تغيير مکان زاويه اي آن را مي توان به صورت ساده [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image004.gif[/IMG] نوشت. - امواج مسطح و کروي : مي توان امواج را بسته به محيطي که در آن منتشر مي شوند؛ به امواج يک بعدي، دو بعدي و سه بعدي طبقه بندي نمود. در طناب و فنر، موج در بعد طولي، در سطح آب موج در بعدهاي طول و عرض، و در فضا در سه امتداد متفاوت، انرژي منتشر مي کنند. اگر موج در فضا منتشر مي شود؛ نقاط مختلف فضا تحت تأثير انرژي امواج قرار مي گيرند. در اين صورت مجموعه نقاطي که در هر لحظه از زمان، موج به آنها مي رسد؛ همفاز بوده و اين نقاط روي سطوحي قرار دارند که به هر يک از آنها سطح موج مي گوييم. جهت انتشار هميشه بر سطح موج عمود است. خطي که عمود بر سطح موج است و جهت حرکت موج را نشان مي دهد، شعاع موج نام دارد. سطح موج به اشکال مختلف وجود دارد. اگر شعاعهاي موج موازي باشند و موج در يک محيط همگن منتشر شود؛ موج مسطح خواهد بود. چنانچه موج در يک نقطه توليد شده و در محيط سه بعدي همگن منتشر شود؛ شعاعهاي موج واگرا بوده و موج کروي خواهيم داشت. [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image006.gif[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image008.jpg[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image009.gif[/IMG] [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image011.gif[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image013.jpg[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image014.gif[/IMG] - امواج پلاريزه : در موج عرضي تعداد راستاهاي عمود بر انتشار موج نامحدود است. اما چنانچه ارتعاشات در يک راستاي ثابت صورت گيرد؛ بطوريکه راستاي ارتعاش و راستاي انتشار در يک صفحه ثابت باشد، موج را پلاريزه گويند. بايد توجه داشته باشيم که موج طولي نمي تواند پلاريزه شود زيرا راستاي انتشار و ارتعاش بر هم منطبق هستند و سطح تشکيل نمي دهند. - امواج انتقالي : اين امواج از منبع توليد مي شوند و در امتدادهاي مختلف در يک جهت حرکت مي کنند. وضعيت هر نقطه به نقاط مجاور خود منتقل مي شود..

امواج صوتي

هم چنان که نواحي تراکم و انبساط در يک محيط حرکت مي کنند يک موج صوتي توليد مي شود. پس يک موج صوتي نمونه اي از تغيير در فشار هواست. مولکولهاي هوا در مسير موج صوتي حرکت نمي کنند بلکه آنها را در يک محل پيرامون نقطه تعادل خود به نوسان در مي آيند و مانند يک منبع ارتعاشي عمل مي کنند. [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image001.gif[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image003.jpg[/IMG] [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image004.gif[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image006.jpg[/IMG]

	[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image008.gif[/IMG]

صوت

صوت عبارت است از نوعي ارتعاش مکانيکي – طولي که سبب احساس شنوايي در انسان مي شود. اين ارتعاشات مکانيکي در اثر ارتعاش يک جسم و يا مجموعه اي از اجسام کشسان توليد مي شود و بصورت موج در محيط مجاور که معمولاً هواست؛ انتشار مي يابد و بر روي پرده گوش اثر گذاشته و باعث ارتعاش آن مي شود. در نتيجه تأثير بر عصب شنوايي، احساس شنوايي را بوجود مي آورد. امواج مکانيکي با تواترهاي متفاوت مي توانند در محيط منتشر شوند اما گوش انسان سالم ارتعاشاتي را مي شنود که تواتر آنها بين 20 تا 20000 هرتز باشد. انواع صوت

دسته بندي هاي مختلفي وجود دارد که به برخي از آنها اشاره مي کنيم: انواع صوت از نظر محيط انتشار

· صوت هوايي (Airborne Sound) : اصواتي هستند که در هوا يا گاز منتشر شده و به گوش مي رسند. · صوت پيکري (Structural sound) : اصواتي که از طريق محيط مايع يا جامد منتشر شده و به طريق مستقيم( تماس با جمجه) يا پس از تبديل به صوت هوايي قابل شنيدن هستند. انواع صوت از نظر توزيع انرژي

در اصوات مختلط هر موجي مي تواند در پهناي فرکانسي متفاوتي منشر شود. از اين نظر اصوات را به دو دسته تقسيم مي کنند : · اصوات با باند باريک : در اين دسته حد اکثر انرژي صوتي يا فشار صوتي در يک پهناي محدود از فرکانس منتشر مي شود. صوت زنگ اخبار بوق و سوت از اين دسته اند. · اصوات با باند پهن : در اين دسته انرژي صوتي در يک پهناي وسيع فرکانسي توزيع و منتشر مي شود. اصوات مربوط به وسايل و ماشينهاي مرکب مانند موتورهاي درونسوز، آسياب و ميکسر از اين دسته اند. انواع صوت از نظر شکل امواج

· اصوات ساده : اين صوت شامل يک موج سينوسي ساده مي باشد که در طبيعت وجود ندارد و در آزمايشگاه قابل توليد است. مانند صداي دياپازون و صداي کاليبراتور صدا سنج. · اصوات مختلط دوره اي : معمولاً در اين امواج يک فرکانس اصلي و چند فرکانس فرعي وجود دارد که با هم رابطه منظم و نوعاً از پيش طراحي شده دارند. و مي توان آنرا تجزيه نمود که در هنگام تجزيه مشاهده مي شود که اصوات مختلط دوره اي از يک بسامدهايي تشکيل شده اند که مضربي از بسامدهاي اصلي است که آنها را هماهنگهاي بسامد اصلي گويند. امواج دوره اي معمولاً اثر ناخوشايندي ندراند. اصوات موسيقي ، اصوات طبيعت و مکالمه از اين نوع هستند. · اصوات مختلط غير دوره اي : در اين دسته رابطه معين يا از پيش طراحي شده اي بين طول موجها و فرکانس و دامنهامواج وجود ندارد. اين اصوات عموماً ناخواسته، ناخوشايند و تا حدودي اجتناب ناپذير هستند. معمولاً اين نوع اصوات مختلط را که براي گوش انسان ناخوشايند است سرو صدا يا نوفه گويند. در نتيجه نوفه حالتي از صوت با مشخصات تغيير يافته و نامنظم است. در صنعت يکي از راههاي اتلاف انرژي اين گروه اصوات مي باشند. انواع صوت از نظر احساس فيزيولوژيک

· موسيقي : اصوات منظمي هستند که رابطه منظم و طراحي شده اي بين تغييرات دامنه فشار، طول موجها و فرکانسهاي آن وجود دارد. · صدا : اصوات نامنظمي هستندکه ناخوشايند، ناخواسته و عموماً اجتناب ناپذير بوده و بين دامنه هاي فشار طول موجها و فرکانسهاي آنرابطه معيني وجود ندارد. در صنعت به فراواني از اين نوع موج توليد و منتشر مي شود. انواع صوت از نظر بيناب صوتي

اصوات معمولاً از بسامدهاي بسياري تشکيل مي شوند. بيناب صوتي وسيع بوده و بر حسب ميزان شنوايي به سه ناحيه تقسيم مي شوند: · اصواتي با بسامد 20 تا 20000 هرتز را بيناب شنوايي مي نامند. ارتعاش صوتي با بسامدهاي ياد شده حس شنوايي را در انسان تحريک مي کنند . در بيناب فوق بسامدهاي 500 تا 2000 هرتز، بسامدهاي مکالمه را تشکيل مي دهند . · ارتعاش هايي با بسامدهاي کمتر از 20هرتز امواج مادون صوت مي باشند که گوش انسان حساسيت چنداني به شنيدن آن ندارد . · امواج صوتي با بسا مد بيش از 20000 هرتز امواج فرا صوت مي گويند که حس شنوايي را در انسان تحريک نمي کند . بيناب شنوايي در برخي جانوران گسترده تر از انسان است به طور مثال به نظر مي رسد خفاش امواج صوتي بيش از 100000 هرتز را بشنود و سگ امواج صوتي در حدود 50000 هرتز را حس مي کند . در بررسي مشکلات ناشي از صدا دو ناحيه مادون صوت و فرا صوت مورد نظر نمي باشند بلکه اصواتي که در بيناب شنوايي قرار دارند مورد توجه قرار مي گيرند.

انواع صوت از نظر زمان تداوم

اصوات در مرحله توليد و انتشار خود ممکن است به اشکال مختلف وجود داشته باشند، اين اشکال را مي توان بر اساس دامنه صوت بصورت زير تقسيم بندي نمود : - اصوات پيوسته : به اصواتي اطلاق مي شود که در طول زمان انتشار خود وقفه نداشته باشند. اصوات مکالمه و صداي صنعتي اغلب از اين گروه هستند. اين گروه به سه دسته زير تفسيم مي شوند. · اصوات يکنواخت : تراز فشار صوت تغييرات قابل ملاحظه نداشته و اغلب کمتر از 5 dB است. · اصوات متغير با زمان : در اين دسته تغييرات تراز فشار صوت در طول زمان بين 5 تا 15 dB است. · اصوات منقطع يا نوبتي : در اين دسته تغييرات تراز فشار صوت بيش از 15 dB در واحد زمان است. - اصوات ضربه اي و کوبه اي : در اين اصوات موج فشار صوت در هر ضربه؛ در کسري از زمان (ثانيه) و معمولاً در کمتر از 5/0 ثانيه شروع و خاتمه مي يابد. صداي ناشي از شليک گلوله، پرسهاي ضربه اي و ابزارهاي پنوماتيک اغلب از اين نوع هستند. با توجه به نحوه توليد و شکل موج فشار؛ اين گروه به دو دسته تقسيم مي شود: · دسته A : زمان اوج گيري موج فشار کوتاه بوده(معمولا کمتر از 0.5 ثانيه طول مي کشد) و دامنه فشار بسيار بزرگ است؛ بطوريکه در نقطه پيک خود ممکن است به 190 dB نيز برسد. در هر ضربه، موج فشار به تندي و فقط با يک بازگشت به نقطه صفر فشار برميگردد. در اين نوع صدا ، موج شکل ساده اي دارد. شليک گلوله هاي سبک مانند قبضه تفنگ و سنگين مانند توپ در هر شليک چنين موج فشاري را ايجاد مي کنند. انفجار گلوله هاي خمپاره و توپ هم اينگونه اند. در اين دسته زمان تداوم هر دسته کوتاه است. به اين نوع اصوات، صداي ضربه اي گويند. · دسته B : در اين دسته، زمان اوج گيري موج فشار کوتاه بوده و دامنه فشار بسته به وضعيت منبع توليد صوت، متغير و بيش از 20 dB از صداي زمينه بالاتر است. اين دامنه در نقطه پيک ممکن است به 140 dB نيز برسد. در هر ضربه، موج فشار به تندي به نقطه صفر برميگردد؛ اما چند موج پس ضربه به دنبال خود دارد که به دليل اصوات پيکري اجزاي دستگاه مولد صوت ايجاد مي شود. در اين دسته زمان تداوم هر ضربه بلند تر از دسته A مي باشد. صداي ناشي از پرسهاي ضربه اي و ابزارهاي بادي و بطور کلي منابع مرکب ضربه زن از اين هستند. اين دسته از اصوات، کوبه اي نام دارند. v پارامترهاي مشترک: · پيك (قله):ماکزيمم فشار صوت · زمان افزايش: طول مدت شروع يک ضربه تا زمان قله · طول مدت: طول مدت شروع يک ضربه تا کاهش به يک حد معين - طول مدت در A: زماني که تراز صدا به قله ميرسد و به اندازه 40 dB کاهش مي يابد - (Impact noise) يا صداي ضربه اي -

افزايش سريع داشته و با يک نوسان جزئي کاهش مي يابد (صداي ضربه اي يا Impulse)

[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image002.jpg[/IMG]طول مدت در B: زماني تراز صدا به قله ميرسد وبه اندازه 20 dB کاهش مي يابد. (Impulse noise) يا صداي کوبه اي

	افزايش سريع داشته و لي کاهش آن بشکل نوساني است. (صداي كوبه اي يا Impact)

سرعت انتشار امواج صوتي

صوت به وسيله تمام محيط هاي مادي مانند گاز، مايع و جامد منتشر مي شود. در اين ميان محيط كشسان گازي شكل هوا از اهميت ويژه برخوردار است. زيرا راه اصلي ورود صوت به دستگاه شنوايي انسان از طريق اين محيط مي باشد. سرعت انتشار امواج صوتي را سرعت صوت (Sound celerity) گويند كه مقدار آن به ويژگي هاي محيط انتشار بستگي دارد. اين ويژگي ها عبارتند: ميزان كشساني و چگالي محيط انتشار. پس مي توان نتيجه گرفت كه سرعت انتشار صوت به دما، فشار و چگالي بستگي داشته و مستقل از بسامد و دامنه فشار صوت است. سرعت صوت در گازهاي كامل از رابطه زير بدست مي آيد:

[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image004.gif[/IMG]

در اين فرمول: γ: ضريب اتيميسيته گاز برابر با گرماي ويژه در فشار ثابت تقسيم بر گرماي ويژه در حجم ثابت است. در گازهاي تك اتمي مانند آرگون و نئون، γ  برابر با 67/1 و در گازهاي دو اتمي مانند اكسيژن، هيدروژن و نيتروژن و هوا (اكسيژن و نيتروژن)،γ برابر با 4/1 و در گازهاي سه اتمي مثل دي اكسيد كربن، γ برابر با 33/1 مي باشد. R : ثابت عمومي گازهاي كامل كه برابر با 314/8 ژول بر كلوين- مول است. M : وزن ملكولي هوا كه تغريباً برابر با 941/28 گرم بر مول است. T : درجه حرارت هوا (درجه كلوين).

جدول 1-1- سرعت صوت در محيط ها و مواد گوناگون
ماده	5050
هوا (شرايط متعارف )	340
آب	1440
بتون	4000
فولاد	سرعت صوت (متر بر ثانيه )

مثال: سرعت در هواي صفر درجه سانتي گراد را محاسبه مي كنيم:

[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image006.gif[/IMG]

با توجه به درجه حرارت هوا، از رابطه زير مي توان سرعت صوت در هوا را بدست آورد.

4/331 + t6/0 C =

t : درجه حرارت هوا (درجه سانتي گراد). C : سرعت هوا (متر بر ثانيه). ارزيابي صدا

جهت ارزيابي صدا بايد به چهار فاکتور توجه نمود: 1) کميات فيزيکي 2) مقياس لگاريتمي 3) فرکانس 4) زمان