امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج میتوانند در جامدات ، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده این فیزیک امواج ، در راستای انتشار موج نوسان میکنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گستره وسیعی از بسامدها به وجود میآیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواج صوتی در محدودهای قرار گرفتهاند که میتوانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند.
این محدوده تقریبا از ۲۰ هرتز تا حدود ۲۰۰۰۰ هرتز است و گستره شنیده شدنی نامیده میشود. فیزیک امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی ، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد ، امواج فراصوتی گویند.
تولید صوت :
هر گاه به جسمی ضربه میزنیم لایههای هوا بین دست ما در جسم جابجا میشوند و اگر این جابجاییها بیش از ۱۶ بار در ثانیه باشند، صدا ایجاد میشود. برای اینکه بهتر بتوانیم نقش اندامهای گفتار را در تولید آواهای زبان فارسی مورد مطالعه قرار دهیم، ابتدا به نظر میرسد لازم است مطالب مختصری درباره چگونگی تولید آوا یا صوت ارائه کنیم.
آوا یا صوت از ارتعاش مولکولهای هوا حاصل میشود. ارتعاش یعنی حرکت مولکولهای هوا از جای خود در مسیر معین و بازگشت آنها به جای اولیه. این پدیده فیزیکی را اصطلاحا موج مینامیم. برای آنکه بتوانیم یک تصویر تقریبی از طرز بوجود آمدن موج صوتی را مجسم کنیم پاندولی را در نظر میگیریم. اگر وزنه پاندول را به یک طرف کشیده آن را رها سازیم، پاندول با سرعت ، به منتهی الیه طرف دیگر رفته دوباره در همان مسیر بجای اول میگردد. این حرکت به دفعات زیاد صورت میگیرد، ولی در هر دفعه خط سیر آن اندکی کوتاهتر میشود تا اینکه وزنه پاندول دوباره به حالت اولیه یعنی سکون در آید.
وزنه پاندول در این حرکت ، لایهای از مولکولهای هوا را با خود به جلو میراند و این عمل موجب میشود که در یک سوی وزنه ، رقت مولکولی در سوی دیگر تراکم مولکولی ایجاد شود. رقت یعنی زیاد شدن فاصله بین مولکولها و تراکم یعنی کم شدن فاصله آنها. اگر با دو دست یک لاستیک را بکشیم طول لاستیک زیاد میشود یا به سخن دیگر ، لاستیک کش می آید.
علت این موضوع آن است که فاصله بین مولکولها در قسمتهای میانی لاستیک زیاد شده و مولکولها بین دو سر لاستیک زیاد شده و مولکولها به طرف دو سر لاستیک کشانده میشوند و در نتیجه فاصله میان مولکولها در دو سر لاستیک کم میشود. بدین ترتیب در قسمت میانی لاستیک رقت مولکولی و در دو سر آن تراکم مولکولی ایجاد میشود. اکنون اگر دو سر لاستیک را رها کنیم مولکولها دوباره به جای اولیه خود بر میگردند.
خاصیت ارتجاعی هوا :
هوا نیز دارای همین خاصیت ارتجاعی است، منتهی به مراتب بیشتر از لاستیک. هر رقت و تراکم مولکولی در هوا موجب رقت و تراکمهای دیگر میگردد. بدین معنی که ، هنگامی که یک لایه از مولکولهای هوا به جلو رانده میشود این لایه به نوبه خود لایه دیگری را به جلو میراند و خود به حال اول بر میگردد. لایه جدیدی نیز لایه دیگری را ، و به همین ترتیب این عمل بارها و بارها تکرار میگردد تا انرژی به پایان برسد. این جابجایی مولکولها اگر بیش از ۱۶مرتبه در ثانیه تکرار گردد صدا بوجود میآید.
اگر کتابی را از ارتفاع معینی به طرف زمین رها کنیم بر اثر سقوط کتاب ، فشار هوای بین کتاب و زمین زیاد میشود و این فشار ، مولکولهای هوا را به اطراف میراند. مولکولهای رانده شده به نوبت مولکولهای مجاور خود را به جلو رانده و خود به حالت اول بر میگردند. این عمل آنقدر تکرار میشود تا انرژی حاصل از سقوط کتاب به پایان برسد. هنگام تماس کتاب با زمین صدایی به گوش میرسد، در صورتی که در اثنای سقوط آن صدایی شنیده نمیشود.
علت این است که هنگام تماس کتاب با زمین ، بر اثر زیاد بودن مقدار انرژی جابجا شدن مولکولها یا همان رقت و تراکم هوا خیلی بیشتر از ۱۶ مرتبه در ثاینه است و به این علت صدای حاصله قابل شنیدن میباشد. هر رقت و تراکم یک سیکل نام دارد و تعداد سیکل در ثانیه تواتر یا بسامد نامیده میشود. بنابراین ، وقتی میگوییم فرکانس (تواتر) موج مثلا ۵۰۰ سیکل است، یعنی ۵۰۰ مرتبه رقت و تراکم در مولکولهای هوا ایجاد شده است. هر قدر بسامد بیشتر باشد صدا به اصطلاح زیرتر است و نیز قدر بسامد کمتر باشد صدا اصطلاحا بمتر است.
چشمه فیزیک امواج فروصوتی و فراصوتی :
فیزیک امواج فروصوتی که با آنها سروکار داریم معمولا توسط چشمههای بزرگ تولید میشوند. امواج زمین لرزهای از آن جملهاند. بسامدهای بالای مربوط به فیزیک امواج فراصوتی را میتوان به وسیله ارتعاشات کشسان یک بلور کوارتز که بر اثر تشدید با یک میدان الکتریکی متناوب در بلور القا شده است ، ایجاد کرد. به این طریق میتوان بسامدهای فراصوتی به بزرگی ۶×۱۰۸ هرتز تولید کرد. طول موج متناظر با این بسامد در هوا در حدود ۵×۱۰-۵ سانتیمتر است که همان حدود طول موج نور مرئی است.
مشخصات فیزیکی :
جابجایی یا ارتعاش مولکولهای هوا در تمام جهات صورت میگیرد و بسته به مقدار انرژی موجود ، هر لایه از مولکولها مسافتی را طی میکنند. به سخن دیگر هر چه انری بیشتر باشد مسافتی را که موج میپیماید بیشتر است. طول مسافتی را که هر طبقه از مولکولهای هوا طی نموده و دوباره به جای اولیه خود بر میگردد دامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زیادتر باشد صدا بلندتر است. بلندی صدا را با زیر و بمی آن نباید اشتباه کرد، زیرا بلندی صدا مربوط به تعداد ارتعاش در ثانیه است.
بنابراین صدای ممکن است بم ولی بلند باشد. بالعکس صدای دیگری ممکن است زیر ولی کوتاه باشد. اگر امواج صوتی در مسیر حرکت خود به جسمی از قبیل پرده گوش برخورد کنند و آن را به همان اندازه مرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسیله اندامهای گوش داخلی به مراکز اعصاب شنوایی منتقل گشته و در نتیجه صدا شنیده میشود و عکس العمل لازم صادر میشود.
چشمه فیزیک امواج شنیده شدنی :
فیزیک امواج شنیده شدنی در تارهای مرتعش (بلندگو ، طبل) ایجاد میشوند. همه این عناصر مرتعش به تناوب هوای پیرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت به طرف عقب ، رقیق میکنند. هوا این آشفتگیها را بصورت موج از چشمه به خارج انتقال میدهد. این فیزیک امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را بوجود میآورند. موجهایی که تقریبا متناوب هستند و یا تعداد کمی از مؤلفههای تقریبی متناوب را شامل میشوند، احساس خوشایندی بوجود میآورند (اگر شدت خیلی زیاد نباشد) اصوات موسیقی از این جملهاند. صوتی که شکل موج آن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنیده می شود. نوفه را میتوان برهمنهشی از امواج متناوب دانست که در آن تعداد مؤلفهها خیلی زیاد است.
یک آزمایش ساده :
دو سر یک سیم فولادی به طول یک متر و به قطر یک میلیمتر را که کشیده شده و بوسیله دو قطعه سنگ یا آهن محکم شده است ، در نظر میگیریم. حال اگر وسط سیم را به کناری کشیده و رها کنیم صدایی شنیده نمیشود، در صورتی که ارتعاش آن کاملا به چشم دیده میشود. ولی اگر یک طرف سیم را به کنار یک لنگه در تختهای متصل کنیم و آزمایش را دوباره انجام دهیم، صدای آن کاملا شنیده میشود، با وجود آنکه ارتعاش آن مشهود نیست. علت این امر آن است که در دفعه اول هوای مجاور سیم بجای اینکه تراکم و انبساط پیدا کند، روی سیم لغزیده است و در مرتبه دوم هوای مجاور لنگه در ، مجال لغزیدن و رسیدن به کنار آن را قبل از تجدید ارتعاش نداشته است.
امواج صوتی در جامدات و مایعات :
همانطور که درون هوا ارتعاشات طولی توام با تراکم و انبساط منتشر میشود، به همان طریق نیز ارتعاشات طولی توأم با تراکم و انبساط در داخل مایعات و جامدات انتشار پیدا میکنند. اگر میله فلزی را برای لحظه کوتاهی در امتداد خودش کشیده و رها کنیم ، تراکم و انبساط در طول میله انتشار پیدا خواهد کرد و همین طور اگر نقطهای از جسم جامد را مرتعش سازیم (به عنوان مثال با چکش به گوشه یک قطعه سنگ یا فلز بزنیم) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروی در تمام جسم مرتعش منتشر میشوند.
مخصوصا نباید چنان کرد که انتشار تراکم و انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنیدنی است، بلکه هر نوع ارتعاش با هر فرکانس ممکن است در آنها انتشار یابد. تنها فرقی که جامدات و مایعات در انتقال صوت با هوا و گاز دارند در زیاد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.
مشاهدات تجربی :
چیزی که در موقع انتشار صوت در هوا انتقال مییابد، هوا نیست. به دلیل اینکه صدای هواپیما از ابر و دود غلیظ عبور کرده و به ما میرسد. بدون آنکه ابر را پراکنده ساخته و با خود به طرف ما بیاورد.
هوا در حین انتشار صوت جلو و عقب میرود. یعنی مرتعش میشود. برای مشاهده این امر کافی است یک قطعه فیلم عکاسی را بین دو انگشت گرفته و در مقابل آن با آواز بلند بخوانیم، در اینصورت حرکت رفت و آمد تند فیلم را به خوبی در محل اتصال انگشتان خود با فیلم حس مینماییم.
عبور فیزیک امواج صوتی در هوا با کم و زیاد شدن فشار (انبساط و تراکم) همراه میباشد. در جدار لوله صوتی سوراخی درست کرده و سپس ورقه نازک کاغذی روی آن میچسبانیم و از خارج به این کاغذ پاندول سبک ساده از چوب آقطی آویزان نموده و لوله را بطور افقی نگاه به بالا و پایین رفتن میکند. اگر تنها هوا حرکت میکرد و اختلاف فشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمیکرد زیرا حرکت ارتعاشی هوای درون لوله موازی با سطح کاغذ بوده و ممکن نبود که تولید حرکت متناوب در ورقه کاغذ بنماید.
در نتیجه وجود همین انبساط و تراکم ، در فیزیک امواج صوتی ، اختلاف چگالی متناوب پیدا می شود. زیرا اگر تغییر فشار را در فیزیک امواج صوتی قبول کنیم لازم است که تغییر چگالی در آنها رانیز قبول کنیم. به کمک چندین پاندول که در طول لوله صوتی افقی بطریق فوق آویزان کردهایم میتوانیم ثابت کنیم که هنگام ایجاد صوت در لوله ، پاندولی که نزدیکتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهای دیگر به ارتعاش در میآید.
پس وقتی قسمتی از هوای درون لوله در داخل آن به سمت انتهای آن حرکت کرده و قسمت دیگری از هوای درون لوله ساکن است، ناچار چگالی قسمتی که بین این دو قسمت متحرک و ساکن قرار دارد ، تغییر کرده است. موضوع وجود اختلاف چگالی در هوای مرتعش عملا به تحقیق رسیده است و از تغییر چگالی هوا در موقع ارتعاش که باعث تغییر ضریب شکست میشود، استفاده کرد. و فیزیک امواج صوتی را به کمک جرقه الکتریکی عکسبرداری نمودهاند
صداها هر روز گوش ما را آماج قرار می دهند ، صداهایی مانند سروصدای عبور وسایل نقلیه و بوق اتومبیل ها خنده كودك ، پارس سگ و ترنم باران . از راه این صدا هاست كه هر چه را كه رخ می دهد در می یابیم ، برای برقراری ارتباط با محیط خود به صداها نیاز داریم .
با گوش دادن به گفتار ، فریاد و صدای خنده دیگران ،آموخته ایم كه دریابیم آنها به چه می اندیشند و چه احساسی دارند. اما سكوت و نبود صدا نیز می تواند گویا باشد . هنگامی كه هیچ صدایی در خیابان نمی شنویم ، می فهمیم كه اتومبیلی نمی گذرد .
هنگامی كه كسی پاسخ پرسشی را نمی دهد ویا جمله ای را ناتمام می گذارد ، توجهمان بی درنگ جلب می شود و از سكوت او برداشتی می كنیم .
صداها ممكن است به گوش ما خوشایند یا ناخوشایند باشند . خوشبختانه می توانیم حواسمان را به صداهایی خاص معطوف كنیم و آنهایی را كه برایمان جالب نیستند نا شنیده بگذاریم . در یك مهمانی ، اگر بخواهیم می توانیم صدای كسانی را كه نزدیكمان هستند ناشنیده بگیریم و توجهمان را به گفتگویی كه در آن سوی اتاق جریان دارد معطوف كنیم .
شاید مقصود جان كیج (۱۹۹۲-۱۹۱۲ )در اثرش با عنوان چهار دقیقه و سی و سه ثانیه ،كه در آن پیانیست به مدت ۴دقیقه و ۳۳ ثانیه در برابر پیانو نشسته و هیچ چیز نمی نوازد ، نمایاندن همین نكته باشد . سكوت شنوندگان را وامی دارد تا متوجه تمام سرو صداهای محیط یا صداهایی شوند كه خود پدید می آورند . به تعبیری شنوندگان این قطعه را می آفرینند .
برای درك این تاثیر، به صداهایی كه در همین لحظه سكوت پیرامون شما را انباشته است گوش دهید .
صداهایی كه می شنویم چه هستند؟ صوت چیست؟ چه چیز آن را پدید می آورد و ما چگونه آن را می شنویم . صوت با نوسان یك شیء،مانند میزی كه بر آن مشت كوبیده یا سیمی كه بر آن زخمه زده شده باشد ، پدید می آید . نوسان ها از راه یك واسطه ، به طور معمول هوا ، به گوش ما منتقل می شوند.
بر اثر این نوسان ها پرده گوش به نوسان در می آید و پیام های عصبی یا سیگنال هایی به مغز گسیل می شوند . در مغز ، پیام های عصبی دستچین ، منظم و تفسیر می شوند . موسیقی بخشی از این جهان صوتی، و هنری است مبتنی بر نظام اصوات در قالب زمان .
موسیقی را از راه شناخت چهار ویژگی بنیادی صداهای موسیقایی ، یعنی : زیـرو بم ( ارتفاع صوت ) ، دینامیك (شدت صوت ) ، رنگ صوتی ( طنین صوت ) و كشش (مدت تداوم صوت ) ، صداهای دیگر متمایز می سازیم . اكنون به بررسی سه ویژگی نخست صداهای موسیقایی می پردازیم .
زیرو بم یا ارتفاع صوت
ارتفاع زیر یا بم بودن هر صوت نسبت به دیگر اصوات است . بی تردید متوجه شده ابد كه اغلب مردان با صدایی بم تر از زنان و كودكان صحبت می كنند و آواز می خوانند . هنگام خواندن یك ترانه نیز واژه ها نسبت به یكدیگر با زیرو بم های متفاوتی ادا می شوند .
گفتار بدون زیر و بم خسته كننده است و بدتر آنكه بدون صداهای زیر و بم گوناگون ، موسیقی به معنایی كه می شناسیم وجود نخواهد داشت . زیر و بم صداها با بسامد نوسان های آن تعیین می شود. هر چه نوسان تندتر، صدا زیرتر و هر چه كندتر باشد صدا بم تر خواهد بود .
بسامد نوسان بر حسب سیكل در ثانیه سنجیده می شود . به طور عام هر چه شیء نوسان كننده كوچكتر باشد نوسانی تندتر خواهد داشت و صدای حاصل از آن زیرتر خواهد بود . ازمیان دو سیم كه درازای متفاوتی دارند سیم كوتاه تر با زخمه زدن صدایی زیرتر ایجاد می كند همانند سیم های كوتاه ویولون نسبت به سیم های طویل كنترباس .
صد صدایی كه دارای زیرو بم یا ارتفاع معین باشد ، صدای موسیقایی نامیده می شود . چنین صدایی دارای بسامد معین ، برای نمونه ۴۴۰ سیكل در ثانیه ، است.نوسان های یك صدای موسیقایی دقیق است و در فواصل زمانی منظم ویكسان به گوش می رسد .
از سوی دیگر سر و صداها زیر و بمی معینی ندارند و از نوسان هایی نامنظم پدید می آیند . دو صدای موسیقایی هنگامی متمایز به گوش می رسند كه زیر و بمی آن ها متفاوت باشد . تفاوت زیر و بمی یا ارتفاع دو صدای موسیقایی فاصله نامیده می شود .
زمانی كه فاصله ی میان دو صدا یك اكتاو باشد آن دو كیفیتی بسیار مشابه خواهند داشت . در این حالت بسامد صدای زیرتر دو برابر دیگری است . به عنوان مثال اگر بسامد صدای بم تر ۴۴۰ سیكل در ثانیه باشد ، بسامد صدای دیگر ۸۸۰ سیكل در ثانیه خواهد بود .
هنگامی كه دو صدا با فاصله اكتاو و همزمان به صدا در آیند ، چنان در هم می آمیزند كه به نظر می آید در صدایی واحد ادغام می شوند . فاصله اكـتـاو در مـوسیقی دارای اهمیت است .
این فاصله ، فاصله میان نخستین و آخرین صداهای موجود در گام معروف موسیقی است .
گام زیر را به آرامی از چپ به راست بخوانید :
سی دو سی لا سل فا می ر دو
می بینید كه با رسیدن به نت دو بالا فاصله اكتاو را با هفت صدا كه هر كدام زیر و بمی متفاوتی دارند پر كرده اید . این گروه هفت صدایی ، اساس موسیقی در تمدن غرب بوده است . صداهای هفت گانه با شستی های سفید پیانو نواخته می شوند .
با گذشت زمان ، پنج صدا به هفت صدای اصلی افزوده شد این صداها با شستی های سیاه پیانو نواخته می شوند . تمام صداهای دوازده گانه مانند هفت صدای اصلی در اكتاو های بالاتر و پایین تر از خود مضاعف می شوند . ( در موسیقی غیر غربی اكتاو ممكن است به تعداد دیگری از صداها تقسیم شود . برای نمونه ، هفده یا بیست و دو صدا ) .
فاصله ی میان بم ترین و زیر ترین صداهایی كه یك آواز خوان یا یك ساز می تواند اجرا كند ، وسعت صوتی یا به طور ساده وسعت نامیده می شود . وسعت صدای كسی كه تعلیم آواز ندیده است به طور معمول میان یك تا دو اكتاو و وسعت صوتی پیانو بیش از هفت اكتاو است . هنگامی كه دو آوازخوان زن و مرد یك ملودی را با هم می خوانند ، اغلب آن را به فاصله ی یك اكتاو از هم اجرا می كنند .
سازمان بخشیدن به صداهای زیر و بم ، نخستین كار یك آهنگساز است . آهنگساز می تواند حس و حالتی ویژه را به كمك صداهای بسیار زیر یا بسیار بم در موسیقی اش بیآفریند .
برای مثال صداهای بم می توانند حزن و اندوه یك مارش عزا را فزونی بخشند و صداهای زیر یك رقص را سرزنده تركنند . اوج گیری مداوم به سمت صداهای زیر تر، اغلب بر تنش و هیجان موسیقی می افزاید .
گر چه موسیقی متعارف و آشنا برای ما بیشتر مبتنی بر صداهایی با زیر و بم معین است تا صداهای بدون زیر و بم معین مانند صدای طبل بزرگ و سنج كه ایفاگر نقش مهمی در جنبه ی ریتمیك موسیقی هستند . در مناطقی از آفریقا صدای طبل ها ، كه فاقد زیر و بم معین است ، اهمیت بسیار دارد و با پیشرفت های نو در موسیقی الكترونیك ، این صداها اندك اندك در موسیقی غرب نیز نقشی بنیادی ایفا می كنند .
دینامیك
میزان شدت صدا در موسیقی ، دینامیك نامیده می شود . شدت صدا بستگی كامل به دامنه ی نوسانی دارد كه آن را پدید می آورد . هر قدر سیم گیتار شدیدتر نواخته شود صدای پدید آمده قوی تر خواهد بود .
هنگامی كه سازها قویتر یا ملایم تر نواخته شوند یا تعداد سازهای هم نواز تغییر كند ، تغییری دینامیكی پدید خواهد آمد چنین تغییری ممكن است تدریجی یا ناگهانی صورت گیرد . افزایش تدریجی شدت صدا ، به ویژه هنگامی كه با افزایش ارتفاع صوت همراه باشد ، اغلب هیجان آفرین است . از سوی دیگر، كاهش تدریجی شدت شدت صدا می تواند حسی از سكون و آرامش را به شنونده انتقال دهد .
اجرا كننده موسیقی می تواند با اجرای قوی تر یك صدا نسبت به صداهای مجاور، آن را مؤكد سازد . تاكیدی از این نوع را تاكید دینامیكی یا آكسان گویند . دگرگونی های ماهرانه و ظریف دینامیكی می تواند به اجرای موسیقی روح و حالت ببخشد . این دگرگونی ها گاه در نت نویسی قطعه معین شده اند اما اغلب چنین نیست و اجرا كننده است كه با احساسات خود در موسیقی روح می دهد .
در ۱۵۰ سال اخیر، پیشرفت در ساخت سازهای موسیقی سبب پهناور تر شدن گستره ی دینامیك در موسیقی غرب شده است . در واقع امروزه دستگاه های الكترونیك ، دینامیك را چنان قوی ساخته اندكه گاه آزارنده و عذاب آور است . مرسوم است كه آهنگسازان در نگارش مـوسیـقی برای نمایاندن دیـنامیك از اصطلاح هــا و اختصارهـای ایـتالیایی استفاده می كنند .
پركاربردترین این اصطلاح ها به همراه نشانه های اختصاریشان در زیر آمده است :
پیانیسیمو ( بسیار ملایم ) ، پیانو (ملایم ) ، متسو پیانو ( ملایم معتدل ) ، متسو فورته ( قوی معتدل ) ، فورته ( قوی ) ، فورتیسیمو ( بسیار قوی )
آهنگسازان برای مشخص كردن دینامیك های بسیار بسیار ملایم از نشانه های p یاpp و برای دینامیك های بسیار بسیار قوی از نشانه های f یا ffاستفاده می كنند. برای نمایاندن تغییری تدریجی در دینامیك ، واژه ها و نماد های زیر به كار میروند:
دی كرشندو ( به تدریج ملایم تر ) Decrescendo و كرشندو ( به تدریج قوی تر ) crescendo تعیین دینامیك نیز مانند بسیاری دیگر از عناصر موسیقی مطلق نیست . هر صدا نسبت به صداهای مجاورش دینامیكی ، ملایم یا قوی ، دارد . قوی ترین صدای یك ویولون تك در مقایسه با دینامیك یك اركستر كامل و حتی در برابر صداهای تقویت شده ی موسیقی راك بسیار ضعیف است ، اما همین صدا می تواند در چارچوب موسیقی تك سازی خود فورتیسیمو ( بسیار قوی ) باشد .
رنگ صوتی
حتی هنگامی كه ترومپت و فلوت صدایی واحد را با دینامیكی یكسان بنوازند نیز صدایشان را از هم تشخیص می دهیم . كیفیتی كه صدای آن ها را از هم متمایز می سازد رنگ صوتی یا تمبر (Timbre ) نامیده می شود . رنگ صوتی با واژه هایی همچون روشن ، تیره ، درخشان ، نرم وغنی توصیف می شود .
دگرگونی رنگ صوتی نیز مانند دگرگونی دینامیك ، تنوع و تضاد می آفریند . هنگامی كه ملودی با یك ساز و سپس با سازی دیگر نواخته می شود ، تاثیر های بیانی متفاوتی پدید می آورد كه به سبب رنگ صوتی ویژه ی هر كدام از آن سازهاست .
از سوی دیگر، رنگ های صوتی متضاد ممكن است برای برجسته نمایی یك ملودی تازه به كار گرفته شوند : پس از آن كه ویولون ها ملودی را نواختند ، ابوا ممكن است ملودی متضادی را با رنگی تازه ارائه كند.
رنگ های صوتی می توانند حس پیوستگی نیز پدید آرند تشخیص یك ملودی كه گاه در قطعه شنیده می شود هنگامی آسان تر است كه هر بار با همان ساز یا سازهای قبلی نواخته شود .
برخی از سازها ممكن است تاثیر برانگیزانندهء ملودی را شدت دهند : صدای درخشان ترومپت با نواهای قهرمانی یا نظامی مناسبت دارد و رنگ تسكین بخش صدای فلوت با حال و هوای یك ملودی آرام هم خوان است . در واقع ، آهنگسازان با در نظر داشتن رنگ صوتی سازی ویژه به خلق ملودی می پردازند . در عمل گستره ی بیكرانی از رنگ های صوتی در دسترس آهنگساز است .
تلفیق ساز های مختلف ، مانند تلفیق ویولون ، كلارینت و ترومبون به پیدایش رنگ های تازه ای می انجامد كه هیچ كدام از سازها به تنهای قادر به ایجاد آن نیستند . علاوه بر این ، رنگ صوتی با تغییر تعداد نسبی سازها یا خط های آوازی اجرا كنندهء ملودی نیز دگرگون می شود . سرانجام اینكه ، پیشرفت تكنیك های الكترونیك در سال های اخیر آهنگسازان را توانا ساخته است تا رنگ هایی سراسر متفاوت با رنگ صوتی ساز های متداول ابداع كنند .
تاریخچه
در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی ، هواپیماها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز میکردند که حتی به بیشتر از ۳۰۰ کیلومتر در ساعت نمیرسید؛ در حالی که چنین سرعتی ، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی ، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمیباشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاها بالای ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت ، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی ، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال میشوند.
در آن زمان ، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت ، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پرههای پروانه موتور ، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود ۹۵۰ کیلومتر میباشد، سرعت انتهای پرهها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد میشود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعتهایی ، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی ، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمیکند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد ، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده میشود که جز ایجاد درگ و پسا ، کار دیگری انجام نمیدهد.
آیرودینامیستهای آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن ، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک ، این کار برای جنگندههای امروزی کاری بس سهل و آسان است.
اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر ، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا ، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-۱ به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش ، این هواپیما به سرعت ۱۶/۱ ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت ، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت.
خصوصیات صوت و دیوار صوتی
خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و … معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل ۳۳۲ متر بر ثانیه یا ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت میباشد که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری میپیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی میکند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال مییابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ کیلومتر بر ساعت است.
پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را میپیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب میباشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد میکنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار ، تغییر کرده و کاهش یا افزایش مییابد.
عامل ایجاد دیوار صوتی
امواج ضربهای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربهای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که میتواند به لایههای دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته میشود، موجهایی در آب بوجود میآیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایهای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایههای دیگر نیز میباشد، و امواج ضربهای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا ، تشکیل میشوند.
در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به ۱۶% در میرسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش مییابد، همین مسأله ، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربهای است. هواپیما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هوای محیط را بر هم میزند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت میکنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور میشوند.
اما کم کم ، با نزدیک شدن به سرعتهای ترانسونیک و حدود سرعت صوت ، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم میشوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی ، با افزایش سرعت سیال ، فشار آن کاهش مییابد. در چنین سرعتهایی ، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت میرسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربهای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید میکنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل مینماید.
عدد ماخ بحرانی
به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number میگویند. عدد ماخ بحرانی را میتوان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی میگیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت ، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربهای بوجود میآید که با گذر از دیوار صوتی ، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز میگردند.
بنابراین ، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش میرسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربهای بطور قابل توجهی افزایش مییابد، پس ، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگیهای آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعتهای پایینتر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایینتری جدال با افزایش پسا را شروع کند.
چرا با تولید امواج ضربهای ، پسا افزایش مییابد؟
قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان میکند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربهای بگذرد، موج ضربهای انرژی جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار میکند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربهای به میزان قابل توجهی کاهش مییابد. با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بالها در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربهای را خنثی نماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعتهای پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العادهای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی ، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی میباشد.
با اعمال نیروی فراوان رانشی ، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی میگذرد. در نتیجه این عمل ، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت میکنند. در این حالت ، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز میگردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا ۱۰۰% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت ۱,۱۹۵ کیلومتر بر ساعت استفاده میکنند، در حالی که در سرعتهای بسیار بالاتر ، تنها از ۳۰% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره میجویند. با دقت در این مثال ، میتوان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعتهای نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود.
اثرات شکست دیوار صوتی
امواج ضربهای توسط هواپیما در سرعت صوت ، بسیار قدرتمند میباشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی ، امواج ضربهای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشههای منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها میشود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربهای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.
از امواج ضربهای ، در بمبها و تسلیحات دیگر نیز استفاده میشود. بمبها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایههایی از هوا ، امواج ضربهای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشهها و تخریب دیوارها نیز میشود. اگر شخصی در فاصلهای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربهای وجود ندارد.
به دلیل تولید امواج ضربهای در سرعتهای حدود سرعت صوت ، خلبانان سعی میکنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعتها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.
صدای انفجار
امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده میرسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع میشوند. با گذر از سرعت صوت ، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده میرسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند میباشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی ، هالهای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی ، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربهای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید میآورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربهای در موتورهای جت نیز استفاده میشود. بدین گونه که ، هوا ورودی در موتورهای جت ، حتی اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.
طراحی هواپیما
بنابراین ، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ ۲۱ یا اف ۱۰۴ ستارفایتر دیده میشود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربهای است. در صورت تولید امواج ضربهای ، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور میشود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام میپذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت ، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بالهای ویژهای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر میرسانند، استفاده مینمایند و مقطع بالها معمولاً بسیار نازک و متقارن میباشد.
به عقب برگشتگی بالهای هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده ، چرا که آزمایشهای تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بالها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش مییابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ ۷۴۷ که در حدود سرعت صوت یا حدود ۹۸۰ کیلومتر بر ساعت پرواز میکنند، نیز به بالهایی به عقب برگشته مجهزند.
در برخی از هواپیماها ، مانند هواپیمای اف ۱۴ تامکت ، از سیستم بالهای متغیر استفاده شده که در این سیستم ، در سرعتهای پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بالها گسترده میشوند و برای فراوانی تولید میکنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت ، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر میگرداند. این سیستم به دلیل هزینههای بالا و سنگینی بیش از حد آن ، دارای استفاده محدودی میباشد.
دسته بندی هواپیماها
هواپیماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم میشوند:
هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ کیلومتر بر ساعت ، Subsonic
هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ کیلومتر بر ساعت ، Transonic
هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط ، Sonic
هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت ۱ ماخ تا ۵ ماخ ، Supersonic
هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر ، Hypersonic
|
+| نوشته شده توسط
حمیدرضا عرب بافرانی در دوشنبه بیست و سوم اردیبهشت 1387
|
