صدا چیست: فشردگی و تنکی هوا

دستت را روی گلویت بگذار و بلند بگو «آآآ». زیر انگشتت لرزشی حس می‌کنی که تا وقتی صدا هست ادامه دارد. همان لرزش باید پیش از رسیدن به گوش دیگران از دل هوا رد شود؛ اما هوا که طناب نیست تا بالا و پایین برود. پس صدا دقیقاً چه چیزی را در هوا جابه‌جا می‌کند؟

صدا موجی از فشار است

سطح طبل یا پوستهٔ بلندگو وقتی به جلو می‌رود، لایهٔ هوای مقابلش را به هم می‌فشارد و یک لایهٔ پرفشار می‌سازد؛ نام آن فشردگی است. بعد که همان سطح به عقب برمی‌گردد، هوای آن ناحیه رقیق می‌شود و لایه‌ای کم‌فشار پدید می‌آید که به آن تنکی می‌گویند. این دو لایه پشت سر هم ساخته می‌شوند و مانند صف دومینو جلو می‌روند. نکتهٔ ظریف اینجاست که خودِ مولکول‌های هوا سفر نمی‌کنند؛ هر مولکول تنها کسری از میلی‌متر جلو و عقب می‌رود و فشار را به همسایه‌اش تحویل می‌دهد. آنچه به گوش تو می‌رسد الگوی فشار است، نه هوای دهان گوینده.

چون جابه‌جایی ذره‌ها در همان راستایی است که موج پیش می‌رود، صوت را موج طولی می‌نامیم؛ برخلاف موج روی سطح آب که ذره‌ها عمود بر مسیر بالا و پایین می‌روند. همین نکته روشن می‌کند چرا صدا بدون ماده منتشر نمی‌شود: اگر زنگ اخباری را در محفظه‌ای بگذاری و هوایش را بیرون بکشی، چکش را می‌بینی که به زنگ می‌کوبد اما هیچ نمی‌شنوی. در خلأ ذره‌ای نمانده است که فشار را دست‌به‌دست کند.

سه کمیتی که هر صدا را توصیف می‌کنند

بسامد یعنی تعداد فشردگی‌هایی که در هر ثانیه از یک نقطه می‌گذرد و یکای آن هرتز است. بسامد بالاتر یعنی صدای زیرتر و بسامد پایین‌تر یعنی صدای بم‌تر؛ گوش آدم تقریباً بازهٔ ۲۰ تا ۲۰٬۰۰۰ هرتز را می‌شنود. دوره زمان لازم برای ساخته‌شدن یک فشردگی و یک تنکی کامل است و وارونهٔ بسامد به شمار می‌رود، یعنی T = ۱ ÷ f. دامنه اندازهٔ اختلاف فشار میان لایهٔ پرفشار و هوای آرام است؛ دامنهٔ بزرگ‌تر یعنی صدای بلندتر، بی‌آنکه زیر و بمی عوض شود.

بلندی و زیری دو چیز جدا هستند. اگر روی همان سیم گیتار محکم‌تر بزنی صدا بلندتر می‌شود اما نتش همان نت پیشین است؛ زیر و بم بودن فقط به بسامد بستگی دارد.

یک مثال عددی کاملاً حل‌شده

دیاپازونِ کوکِ ساز با بسامد ۴۴۰ هرتز می‌لرزد. دوره و طول موج صدای آن در هوا چقدر است؟

1. دوره وارونهٔ بسامد است: ۱ ÷ ۴۴۰ برابر ۰٫۰۰۲۲۷ ثانیه.
2. این عدد را در ۱۰۰۰ ضرب می‌کنیم تا میلی‌ثانیه شود: ۲٫۲۷ میلی‌ثانیه.
3. سرعت صوت در هوای ۲۰ درجه برابر ۳۴۳ متر بر ثانیه است.
4. طول موج از رابطهٔ v = f·λ بیرون می‌آید: ۳۴۳ ÷ ۴۴۰ برابر ۰٫۷۸ متر.
5. یعنی یک فشردگی و یک تنکی روی هم نزدیک به سه‌چهارم متر جا می‌گیرند؛ اندازه‌ای که با یک خط‌کش هم می‌شود تصورش کرد.

همین سه عدد را کنار هم روی شبیه‌ساز می‌بینی: ستون‌های ذره فشرده و باز می‌شوند، منحنی فشار بالای لوله بالا و پایین می‌رود و نزدیک‌ترین نت «لا ۴» گزارش می‌شود. اگر دامنه را تا صفر پایین بیاوری، ستون‌ها بی‌حرکت می‌مانند و شبیه‌ساز هشدار می‌دهد که دیگر صدایی وجود ندارد.

کاربرد در دنیای واقعی

پزشک با دستگاه فراصوت موجی با بسامد چند مگاهرتز به بدن می‌فرستد؛ چون طول موج آن بسیار کوتاه است، جزئیات ریز بافت را نشان می‌دهد. مهندس صدا برای ساکت نگه‌داشتن اتاق ضبط، دیوار را با ماده‌ای پر می‌کند که فشردگی‌ها را به گرما تبدیل کند. خفاش هم در تاریکی صدای زیر می‌فرستد و از بازتاب آن جای پشه را پیدا می‌کند؛ همان کاری که سنسور پارک خودرو با فراصوت انجام می‌دهد.