سرعت صوت چیست؟ بررسی سرعت انتشار صوت در محیط‌های مختلف
در این مقاله مفهوم صوت، سرعت صوت و علت تغییر آن در محیط‌های مختلف را بررسی می‌کنیم.
به گزارش دنده6 : ما می‌دانیم امواج صوت در محیط حرکت می‌کند اما سرعت حرکت آن چقدر است؟ متأسفانه پاسخ به این سؤال کار ساده‌ای نیست. برای آنکه بتوانیم سرعت صوت را تخمین بزنیم، باید به محیطی نگاه کنیم که صوت در آن منتشر می‌شود. دانشمندان امروزه می‌دانند سرعت موج صوتی در محیط‌های مختلف متفاوت است. در این مقاله، می‌خواهیم ابتدا با مفهوم صوت و سرعت صوت آشنا شویم و بررسی کنیم محیط‌های مختلف چطور بر سرعت موج صوتی تأثیر می‌گذارند
صوت چیست؟
ما صدا را می‌شنویم و به کمک آن با هم ارتباط برقرار می‌کنیم اما از نظر علمی، صدا یا صوت فقط یک ارتعاش است که به‌صورت موج در محیط منتشر می‌شود و از میان ماده -هوا- عبور می‌کند. می‌توان گفت صدا موج صوتی است که ارتعاش می‌یابد و منتشر می‌شود. به بیان دیگر، صوت نوعی انرژی است که از طریق ارتعاشات ایجاد می‌شود. وقتی جسمی مانند ساز موسیقی یا تار صوتی به ارتعاش درمی‌آید، این ارتعاشات موج‌هایی در هوا یا هر محیط دیگری ایجاد می‌کنند. این موج‌ها به گوش ما می‌رسند و آنها را در قالب صدا می‌شنویم؛ به‌عبارتی، صوت نتیجه تغییر فشار در محیط است.
صوت به‌شکل موج‌های صوتی منتقل می‌شود. این موج‌ها می‌توانند با پارامترهایی مانند طول موج، فرکانس و دامنه توصیف شوند. طول موج فاصله ۲ قله (نقاط اوج) موج را نشان می‌دهد، فرکانس تعداد ارتعاشات در یک ثانیه است و دامنه به بلندی صدا اشاره می‌کند. به‌طورکلی، هرچه دامنه بیشتر باشد، صدا بلندتر خواهد بود.
سرعت صورت چیست؟
طبق تعاریف کتب علمی، سرعت صوت درحقیقت مسافتی است که یک موج صوتی در واحد زمان در محیطی الاستیک می‌پیماید. محیط الاستیک در حقیقت محیطی است که در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کند و با حذف عاملی که سبب تغییر شکل آن می‌شود، به حالت اولیه بازمی‌گردد اما این تعریف بسیار انتزاعی و گنگ است.
به بیان ساده‌تر، می‌توان گفت سرعت صوت سرعت حرکت ارتعاشات موج صوتی است. در گفتار عامیانه، سرعت موج صوتی یا سرعت صدا به سرعت امواج صوتی گفته می‌شود که در هوا جریان دارند. مثلاً وقتی شما با کسی در یک اتاق صحبت می‌کنید، امواج صدای شما در محیط منتشر می‌شوند تا به گوش فرد برسند.
وقتی جسمی مرتعش می‌شود، ذرات هوا به هم نزدیک می‌شوند سپس از هم دور می‌شوند که این باعث ایجاد موج‌های صوتی می‌شود. این فرایند می‌تواند در مایعات و جامدات نیز اتفاق بیفتد اما سرعت موج صوتی در این مواد معمولاً بیشتر است.
محیطی که صوت در آن منتقل می‌شود، تأثیر زیادی بر کیفیت و سرعت موج صوتی دارد؛ برای مثال، سرعت صوت در آب تقریباً چهاربرابر بیشتر از هواست. همچنین در مواد جامد، مانند فلزات، صوت می‌تواند با سرعت بسیار بیشتری حرکت کند؛ زیرا ذرات در جامدات به هم نزدیک‌ترند و انرژی صوتی می‌تواند سریع‌تر انتقال یابد.
سرعت صوت چقدر است؟
سرعت صوت هنگامی که در شرایط ایده‌آل باشیم، فقط به دمای محیط و ترکیبات مولکولی هوای محیط بستگی دارد. اما ازآنجایی‌که شرایط ایده‌ال کمتر پیش می‌آید، فرکانس محیط و فشار هوا نیز در این سرعت دخیل هستند. به همین دلیل نرخ پیشروی یا سرعت امواج صوتی از ماده‌ای به ماده دیگر متفاوت باشد. معمولاً صدا در گازها با سرعت کمتری نسبت به مایعات و جامدات منتشر می‌شود. در قیاس میان جامدات و مایعات نیز می‌توان گفت سرعت انتشار صوت در جامدات سریع‌تر از مایعات است؛ برای مثال، درحالی‌که صدا با سرعت ۳۴۳ متر بر ثانیه در هوا حرکت می‌کند، در آب سرعتی برابر با ۱۴۸۱ متر بر ثانیه (۴.۳ برابر سریع‌تر) دارد و با سرعت ۵۱۲۰ متر بر ثانیه در آهن حرکت می‌کند. در ماده‌ای خاص مانند الماس، سرعت موج صوتی ۱۲ هزار متربرثانیه است که حدود ۳۵ برابر سرعت موج صوتی در هواست. این تقریباً بیشترین سرعتی است که صوت در شرایط زمینی می‌تواند طی کند.
البته نباید تأثیر دما بر سرعت صوت را نیز نادیده گرفت. در دمای صفر درجه سانتی‌گراد، سرعت صوت در هوا حدود ۳۳۱ متربرثانیه است. درحالی‌که سرعت صوت در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد در هوا برابر با ۳۴۳ متربرثانیه است.
در هوای گرم، سرعت موج صوتی بیشتر از هوای سرد است؛ زیرا در دماهای بالاتر، ذرات سریع‌تر حرکت می‌کنند و این به انتقال سریع‌تر انرژی صوتی کمک می‌کند. همچنین در فشارهای بالاتر، این سرعت نیز افزایش می‌یابد؛ زیرا چگالی ماده بیشتر می‌شود و ذرات بیشتر به هم نزدیک شوند.
حالا شاید برای شما این سؤال پیش بیاید که چرا در جامدات سرعت موج صوتی بیشتر از مایعات و گازها و در مایعات بیشتر از گازهاست؟ از نظر تیٔوری، سرعت صوت درحقیقت سرعت پیشروی ارتعاشات موج صوتی است. امواج صوتی در جامدات در حقیقت رفتاری مشابه نوعی موج به نام «موج برشی» دارند که سرعت آن به ثابتی به نام «مدول برشی» -ثابت تعریف‌شده برای هر محیط جامد- و چگالی ماده جامد دارد اما در مایعات و گازها، رفتار موج صوتی مشابه نوعی موج با نام «موج تراکمی» است که به تراکم‌پذیری محیط، مدول برشی و چگالی محیط بستگی دارد.
جالب است بدانید علاوه بر موارد ذکر شده، سرعت صوت در انواع مختلف گاز نیز می‌تواند متفاوت باشد. صدا در گازهای با وزن مولکولی کم مانند هلیوم سریع‌تر از گازهای سنگین مانند زنون منتشر می‌شود. رطوبت نیز یکی از عوامل تأثیرگذار بر سرعت صداست. تفاوت سرعت صوت در محیط‌هایی با رطوبت صفر درصد و ۱۰۰ درصد حدود ۱.۵ متربرثانیه در فشار و دمای استاندارد است.
سرعت صوت در مواد مختلف
همان‌طور که گفتیم، سرعت امواج صوتی وابسته به جنس محیطی که صوت در آن منتشر می‌شود، متغیر است. در ادامه، سرعت موج صوتی را در برخی از محیط‌ها نام می‌بریم.
۱- هوا (دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد): ۳۴۳ متربرثانیه
۲- آب (دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد): ۱۴۸۲ متربرثانیه
۳- آب (دمای ۰ درجه سانتی‌گراد): ۱۴۰۲ متربرثانیه
۴- آب (دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد): ۱۶۸۷ متربرثانیه
۵- آلمینیوم: ۵۱۰۰ متربرثانیه
۶- مس: ۳۹۰۰ متربرثانیه
۷- آهن: ۵۰۰۰ متربرثانیه
۸- شیشه: ۵۶۴۰ متربرثانیه
۹- چوب: وابسته به نوع چوب از ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ متربرثانیه متغیر است.
۱۰- گاز هیدروژن: ۱۲۷۰ متربرثانیه
۱۱- گاز نیتروژن: ۳۳۵ متربرثانیه
۱۲- گاز اکسیژن: ۳۱۶ متربرثانیه
۱۳- پلاستیک: بسته به نوع پلاستیک بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ متر بر ثانیه متغیر است.
۱۴- خاک: بسته به نوع خاک بین ۱۶۰۰ تا ۱۸۰۰ متربرثانیه متغیر است.
۱۵- زغال‌سنگ: ۲۰۰۰ متربرثانیه
این لیست به شما کمک می‌کند سرعت انتشار موج صوتی در مواد و محیط‌های مختلف را مقایسه کنید و درک بهتری از تأثیر ویژگی‌های فیزیکی بر سرعت انتشار صوت داشته باشید.
سرعت صوت در خلأ چقدر است؟
در بخش‌های قبل گفتیم صوت نوعی موج مکانیکی است که به وسیله ارتعاشات ذرات ماده منتقل می‌شود. موج مکانیکی به موجی اطلاق می‌شود که برای انتقال خود به محیطی مادی نیاز دارد. این امواج می‌توانند به‌صورت طولی یا عرضی حرکت کنند. درمورد صوت، معمولاً ما با امواج طولی سروکار داریم؛ یعنی ذرات ماده در جهت حرکت موج به جلو و عقب حرکت می‌کنند. این حرکت نواحی فشرده (جایی که ذرات به هم نزدیک‌تر می‌شوند) و نواحی کم‌فشار (جایی که ذرات از هم دور می‌شوند) ایجاد می‌کند؛ به‌عبارت دیگر، صوت به‌جای تغییری در فشار و چگالی هوا یا هر ماده دیگر عمل می‌کند.
یکی از ویژگی‌های کلیدی صوت این است که نمی‌تواند در خلأ منتشر شود. در خلأ، هیچ ذره‌ای برای ارتعاش وجود ندارد؛ بنابراین هیچ راهی برای انتقال ارتعاشات صوتی از نقطه‌ای به نقطه دیگر وجود ندارد؛ برای مثال، اگر شخصی در فضا فریاد بزند، صدایش به‌دلیل نبود ذرات مادی شنیده نمی‌شود. این موضوع نشان می‌دهد صوت به‌عنوان پدیده‌ای فیزیکی به محیط مادی وابسته است.
تاریخچه کشف سرعت صوت
اولین بار سال ۱۶۸۷ سرعت صوت مورد توجه قرار گرفت. آن سال «آیزاک نیوتن» در کتاب «Principia» سرعت صوت را در هوا ۲۹۸ متربرثانیه گزارش کرد. اختلاف رقم که نیوتن گزارش کرد با رقمی که امروزه می‌دانیم (رقم نیوتن ۱۵ درصد کمتر است)، ناشی از نادیده‌گرفتن تأثیر دما در نوسانات موج صوتی است که در آن زمان پدیده‌ای ناشناخته بود.
طی قرن هفدهم، چندین بار دیگر «مارین مرسن»، «پیر گاسندی» و «رابرت بویل» برای اندازه‌گیری دقیق سرعت موج صوتی تلاش کردند. سال ۱۷۰۹، کشیش «ویلیام درهام» نیز کوشید این سرعت را محاسبه کند و به عدد ۳۴۸ متربرثانیه رسید. درهام از تلسکوپی در بالای برج کلیسای «سنت لارنس» استفاده کرد تا درخشش تفنگ ساچمه‌ای دور را در لحظه شلیک مشاهده کند و اختلاف آن با زمان شنیدن صدای تیراندازی را اندازه بگیرد. این کار چند بار و با محل‌های مختلف شلیک انجام شد تا درنهایت میانگین سرعت موج صوتی محاسبه شد.
از آن زمان تاکنون، دانشمندان با پیشرفت ابزارهای اندازه‌گیری و تکنولوژی می‌توانند سرعت صوت را با دقت بالایی در هر محیط تعیین کنند. یکی از این روش‌ها، استفاده از تداخل‌سنج است. در این روش، از دستگاه تداخل‌سنج استفاده می‌شود. با اندازه‌گیری الگوهای تداخلی ناشی از امواج صوتی در محیط، دانشمندان می‌توانند سرعت موج صوتی را تعیین کنند.
عدد ماخ چیست؟
عدد ماخ در توصیفی ساده عبارت است از نسبت سرعت جسم که در محیط حرکت می‌کند (مثلاً هواپیما) به سرعت صوت. همان‌طور که جسمی در هوا حرکت می‌کند، مولکول‌های هوا نزدیک جسم دچار اختلال می‌شوند. اگر جسم با سرعت کم (معمولاً کمتر از ۳۲۰ کیلومتربرساعت) حرکت کند، چگالی سیال اطراف جسم ثابت می‌ماند اما برای سرعت‌های بالاتر، اختلالات مولکول‌های هوا اطراف جسم افزایش می‌یابد و قسمتی از انرژی جسم صرف فشرده‌سازی سیال اطراف و تغییر موضعی چگالی هوا می‌شود. با افزایش سرعت جسم و نزدیک شدن آن به سرعت صوت یا فراتر از آن، اختلالات هوا به گونه‌ای تغییر می‌کند که منجر به شکل‌گیری موج ضربه‌ای قوی می‌شود که مستقیم بر حرکت جسم تأثیر می‌گذارد.
پس نسبت سرعت جسم به سرعت صدا وجود امواج ضربه‌ای را تعیین می‌کند. به‌دلیل اهمیت این نسبت سرعت دانشمندان آن را با پارامتر خاصی تعریف می‌کنند که به افتخار فیزیک‌دان «ارنست ماخ» با این نام شناخته می‌شود. او اواخر قرن نوزدهم میلادی، دینامیک گازها را مطالعه می‌کرد و اولین بار سال ۱۸۸۷ موفق شد، از جسمی درحال حرکت با سرعتی بیش از سرعت صدا عکس بگیرد.
باتوجه‌به اینکه نسبت سرعت جسم به سرعت صدا چه رقمی باشد، می‌توان ۴ دسته‌بندی مطرح کرد.
زیرصوت: در این حالت عدد ماخ کمتر از یک است؛ به عبارت دیگر، سرعت جسم کمتر از سرعت صداست. در این حالت، تغییر حالت مولکول‌های هوا اطراف جسم را می‌توان نادیده گرفت. به این حالت «Subsonic» نیز می‌گویند.
تراصوتی: هنگامی که سرعت جسم به سرعت صوت نزدیک می‌شود، عدد ماخ تقریباً یک است و گفته می‌شود حالت تراصوتی یا «transonic» رخ داده است. در این حالت، اثرات تراکم‌پذیری مولکول‌های هوا اطراف جسم مهم است و منجر به حالتی می‌شود که به‌اصطلاح گفته می‌شود «دیوار صوتی» شکل گرفته است.
فراصوت: شرایط فراصوت یا «Supersonic» برای اعداد بزرگ‌تر از یک در نسبت تعریف‌شده رخ می‌دهد. در این حالت، امواج ضربه‌ای متأثر از این سرعت حرکتی بسیار اهمیت دارند؛ زیرا مستقیم بر حرکت جسم تأثیرگذارند. حالت فراصوت زمانی رخ می‌دهد که عدد ماخ بین یک تا سه متغیر باشد.
مافوق صوت: برای سرعت‌های بیشتر از ۵ ماخ، شرایط مافوق صوت یا «hypersonic» برقرار است. در این سرعت‌ها، بخشی از انرژی جسم به انرژی پیوندهای شیمیایی میان مولکول‌های هوا تبدیل می‌شود؛ بنابراین در این حالت، هنگام محاسبه نیروهای وارد بر جسم هنگام پرواز، باید شیمی حرارت منتقل شده بین گاز و جسم را نیز در نظر گرفت.
عدد ماخ به سرعت صدا در گاز بستگی دارد. سرعت صوت در هوا به دما بستگی دارد که به روشی نسبتاً پیچیده به ارتفاع نیز بستگی دارد. دانشمندان تاکنون موفق شده‌اند مدل ریاضیاتی پیچیده ایجاد کنند تا به کمک آن ارتباط میان ارتفاع و سرعت و تراکم‌پذیری گاز را محاسبه کنند.
خلاصه
در این مقاله به بررسی سرعت صوت در محیط‌های مختلف و عوامل موثر بر آن پرداختیم. سرعت صوت به عنوان یک ویژگی کلیدی در فیزیک، تحت‌تأثیر عواملی همچون دما، فشار، چگالی و نوع ماده قرار دارد. در هوا، سرعت صوت به طور متوسط حدود ۳۴۳ متربرثانیه است اما در مایعات مانند آب این مقدار به ۱۴۸۲ متربرثانیه و در جامدات مانند فولاد به حدود ۵۹۶۰ متربرثانیه می‌رسد. این تفاوت ناشی از نزدیکی یا فاصله ذرات در مواد مختلف و توانایی آنها در انتقال انرژی صوتی است.
علاوه‌بر‌این، در این مقاله به تأثیر دما و فشار بر سرعت موج صوتی نیز اشاره کردیم؛ برای مثال، در دماهای بالاتر، سرعت افزایش می‌یابد؛ زیرا حرکات ذرات سریع‌تر می‌شود. همچنین در فشارهای بالاتر، با افزایش چگالی ماده سرعت موج صوتی نیز بیشتر می‌شود. این عوامل در کاربردهای علمی و صنعتی، ازجمله طراحی تجهیزات صوتی و ارتباطات صوتی، نقش مهمی دارند؛ درنهایت، درک رفتار صوت در شرایط مختلف به ما کمک می‌کند از این ویژگی در فناوری‌های نوین بهره ببریم.
