آکوستیک

مقدمه

در این مطلب قصد داریم به تشریح علم آکوستیک بپردازیم و در مورد تاریخچه این علم و گرایش های آن و اینکه چه کاربرد هایی در حوزه های مختلف دارد صحبت کنیم. پس امیداواریم که تا آخر این پست با ما همراه باشید.

در این پست ابتدا تعریفی از علم آکوستیک خواهیم داشت سپس شرح نسبتا مفصلی خواهیم داشت بر تاریخچه علم آکوستیک و در پایان به بررسی کمیته های استاندارد سازی در زمینه آکوستیک خواهیم پرداخت.

آکوستیک چیست؟

آکوستیک، علم مربوط به تولید، کنترل، انتقال و دریافت صوت است. این اصطلاح از کلمه یونانی به معنای “شنیده” گرفته شده است.

آکوستیک در اصل مطالعه امواج طولی در اثر تغییرات فشار هوا است که توسط گوش انسان قابل تشخیص است و سپس دامنه آکوستیک به فرکانس‌های بالاتر و پایین‌تر یعنی اولتراسوند و مادون صوت گسترش یافته است. ارتعاشات ساختاری نیز در حال حاضر یکی از زمینه های آکوستیک در نظر گرفته می شود.

از نگاهی دیگر آکوستیک عملی است که به مطالعه امواج مکانیکی یا امواج غیر الکترومغناطیسی که برای انتقال به محیط های مادی نیاز دارند می پردازد.

آکوستیک موضوعاتی مانند ارتعاشات، صوت، فراصوت و فروصوت را شامل می شود. به بیان کلی آکوستیک علم صوت است.

آکوستیک در بر گیرنده بسیاری از رشته های علمی، به ویژه فیزیک، مکانیک و دینامیک، برق و الکترونیک، معماری ، شنوایی سنجی، بیولوژی و روانشناسی و بسیاری رشته های دیگر است.

این شاخه بین رشته ای علم به ما این امکان را می دهد که همه جنبه های صدا را ارزیابی و کنترل کنیم.

از آنجایی که حس شنوایی و تفسیر صدا به عنوان یکی از مهم ترین مکانیسم های بقای ما، دنیای ما را شکل می دهد، می توان گفت علم آکوستیک یکی از علومی است که رشد و پیشرفت آن نقشی اساسی و بسیاری کاربردی را در زندگی انسان ایفا می نماید.

بیان این نکته نیز هم مهم است که اگرچه امروزه سیستم شنوایی برای ارزیابی های دقیق و عملی در آکوستیک جای خود را به دستگاههای بسیار دقیق داده است، اما اساس ارزیابی ما از صدا در طول قرن ها بوده است.

تاریخچه علم آکوستیک

منشأ علم آکوستیک به طور کلی به فیثاغورث فیلسوف یونانی (قرن ششم قبل از میلاد) نسبت داده می‌شود، که بر می گردد به آزمایش‌های وی بر روی ویژگی‌های سیم‌های ارتعاشی که فواصل موسیقی دلپذیری ایجاد می‌کنند.

ارسطو (قرن چهارم قبل از میلاد) به درستی پیشنهاد کرد که موج صوتی از طریق حرکت هوا منتشر می شود فرضیه ای که بیشتر بر اساس فلسفه است تا فیزیک تجربی.

با این حال، او همچنین به اشتباه پیشنهاد کرد که فرکانس‌های بالا سریع‌تر از فرکانس‌های پایین منتشر می‌شوند، خطایی که برای قرن‌ها ادامه داشت.

ویتروویوس، مهندس معماری رومی قرن اول قبل از میلاد، مکانیسم صحیح انتقال امواج صوتی را تعیین کرد و به طور قابل توجهی به طراحی آکوستیک آمفی تئاترها کمک کرد.

در قرن ششم پس از میلاد، بوئتیوس فیلسوف رومی چندین ایده را در رابطه با علم با موسیقی مستند کرد، از جمله پیشنهادی مبنی بر اینکه ادراک انسان از گام با ویژگی فیزیکی فرکانس مرتبط است.

گفته می شود که مطالعه مدرن امواج و آکوستیک با گالیله (1564-1642) آغاز شده است، که مطالعه ارتعاشات و همبستگی بین زیر و بم صدا و فرکانس منبع صدا را به سطح علمی ارتقا داد. علاقه او به صدا تا حدی الهام گرفته از پدرش بود که یک ریاضیدان، موسیقی‌دان و آهنگساز معروف بود.

به دنبال کارهای پایه ای گالیله، پیشرفت در آکوستیک نسبتاً سرعت گرفت.

مارین مرسن، ریاضیدان فرانسوی، ارتعاش رشته های کشیده را مطالعه کرد. نتایج این مطالعات در سه قانون مرسن خلاصه شد. Harmonicorum Libri مرسن (1636) اساس آکوستیک موسیقی مدرن را فراهم کرد.

بعدها رابرت هوک، فیزیکدان انگلیسی، برای اولین بار یک موج صوتی با فرکانس شناخته شده را با استفاده از چرخ دنده چرخان به عنوان یک وسیله اندازه گیری تولید کرد.
این دستگاه که در قرن نوزدهم توسط فیزیکدان فرانسوی فلیکس ساوارت توسعه یافت و امروزه معمولاً دیسک ساوارت نامیده می شود.
در اواخر قرن هفدهم و اوایل قرن هجدهم، مطالعات دقیقی در مورد رابطه بین فرکانس و گام و امواج در رشته های کشیده توسط فیزیکدان فرانسوی جوزف سوور انجام شد که میراثی از اصطلاحات آکوستیک مورد استفاده تا امروز را ارائه داد و برای اولین بار این نام را پیشنهاد کرد.

آکوستیک برای مطالعه صدا یکی از جالب‌ترین بحث‌ها در تاریخ آکوستیک، آزمایش معروف و اغلب اشتباه تفسیر شده «bell-in-vacuum» است که به یکی از اجزای اصلی نمایش‌های سخنرانی فیزیک معاصر تبدیل شده است.

در این آزمایش هوا از کوزه ای که در آن یک زنگوله قرار دارد به خارج پمپاژ می شود. با پمپاژ هوا به بیرون فشار هوا در درون کوزه کاهش می یابد و به شرایط خلا نزدیک می شویم و صدای زنگ کاهش می یابد تا جایی که نامفهوم می شود.

در اواخر قرن هفدهم، بسیاری از فیلسوفان و دانشمندان معتقد بودند که صدا از طریق ذرات نامرئی منتشر می شود که از منبع صدا سرچشمه می گیرند و در فضا حرکت می کنند تا بر گوش ناظر تأثیر بگذارند.

مفهوم صوت به‌عنوان موج مستقیماً این دیدگاه را به چالش می‌کشید، و تا زمانی که اولین آزمایش زنگ در خلاء توسط آتاناسیوس کرچر، محقق آلمانی انجام شد، که آن را در کتاب Musurgia Universalis (1650) خود توصیف کرد، به طور تجربی ثابت نشد.

حتی پس از پمپاژ هوا از کوزه، کرچر همچنان صدای زنگ را می شنید، بنابراین به اشتباه به این نتیجه رسید که هوا برای انتقال صدا لازم نیست. در واقع، شیشه کرچر کاملاً بدون هوا نبود، احتمالاً به دلیل ناکافی بودن پمپ خلاء او بود.

در سال 1660، دانشمند انگلیسی-ایرلندی، رابرت بویل، فناوری خلاء را به حدی بهبود بخشید که می‌توانست شدت صوت را که تقریباً با پمپاژ هوا به صفر می‌رسد، مشاهده کند.
بویل سپس به این نتیجه رسید که رسانه ای مانند هوا برای انتقال امواج صوتی لازم است. اگرچه این نتیجه گیری درست است، اما به عنوان توضیحی برای نتایج آزمایش زنگ در خلاء، گمراه کننده است.

حتی با وجود پمپ های مکانیکی امروزی، مقدار هوای باقی مانده در یک شیشه خلاء برای انتقال موج صوتی کافی است.

دلیل واقعی کاهش سطح صدا پس از پمپاژ هوا از شیشه این است که زنگ نمی تواند ارتعاشات صوتی را به طور موثر به هوای با چگالی کمتر باقی مانده منتقل کند و همچنین هوا نمی تواند صدا را به طور موثر به شیشه منتقل کند. .
بنابراین، مشکل واقعی یکی از عدم تطبیق امپدانس بین هوا و مواد جامد متراکم تر که همان کوزه است بوجود می آید است، چرا که هوا بطور کامل از درون کوزه تخلیه نشده است و شرایط خلا بطور کامل بر قرار نیست.

با این وجود، با وجود سردرگمی در مورد این آزمایش، این آزمایش به ایجاد صدا به عنوان موج کمک کرد.

اندازه گیری سرعت صوت هنگامی تشخیص داده شد که صدا در واقع یک موج است، اندازه گیری سرعت صوت به یک هدف جدی تبدیل شد.

در قرن هفدهم، دانشمند و فیلسوف فرانسوی پیر گاسندی اولین تلاش شناخته شده را برای اندازه گیری سرعت صوت در هوا انجام داد. گاسندی با فرض درستی که سرعت نور در مقایسه با سرعت صوت بی نهایت است، تفاوت زمانی بین مشاهده فلاش یک تفنگ و شنیدن گزارش آن در فاصله طولانی در یک روز ساکن را اندازه‌گیری کرد.

اگرچه مقداری که او به دست آورد بسیار زیاد بود – حدود 478.4 متر در ثانیه (1569.6 فوت در ثانیه) – او به درستی به این نتیجه رسید که سرعت صوت مستقل از فرکانس است.

در دهه 1650، فیزیکدانان ایتالیایی، جووانی آلفونسو بورلی و وینچنزو ویویانی، با استفاده از همین تکنیک، مقدار بسیار بهتر 350 متر در ثانیه را به دست آوردند.
هموطن آنها G.L. Bianconi در سال 1740 نشان داد که سرعت صوت در هوا با افزایش دما افزایش می یابد.

اولین مقدار دقیق آزمایشی برای سرعت صوت، که در آکادمی علوم پاریس در سال 1738 به دست آمد، 332 متر بر ثانیه بود که با توجه به ماهیت ابتدایی ابزار اندازه گیری آن روز، بسیار نزدیک به مقدار پذیرفته شده کنونی است.

یک مقدار جدیدتر برای سرعت صوت، 331.45 متر بر ثانیه (1087.4 فوت بر ثانیه)، در سال 1942 به دست آمد. در سال 1986 به 331.29 متر در ثانیه در 0 درجه سانتیگراد (1086.9 فوت در ثانیه در 32 درجه فارنهایت) تغییر یافت.

سرعت صوت در آب برای اولین بار توسط دانیل کولادون، فیزیکدان سوئیسی، در سال 1826 اندازه گیری شد. عجیب اینکه علاقه اصلی او اندازه گیری سرعت صوت در آب نبود، بلکه محاسبه تراکم پذیری آب بود.
کولادون به سرعت 1435 متر در ثانیه در 8 درجه سانتیگراد رسید. مقدار پذیرفته شده فعلی درون یابی در آن دما حدود 1439 متر در ثانیه است.
دو روش برای تعیین سرعت صوت در جامدات به کار گرفته شد. در سال 1808 ژان باپتیست بیوت، فیزیکدان فرانسوی، اندازه گیری مستقیم سرعت صوت در 1000 متر لوله آهنی را با مقایسه آن با سرعت صوت در هوا انجام داد.

اندازه‌گیری بهتری قبلاً توسط یک آلمانی، ارنست فلورنز فردریش کلادنی، با استفاده از تحلیل الگوی گره‌ای در ارتعاشات موج ایستاده در میله‌های بلند انجام شده بود.

در قرن نوزدهم آکوستیک یک هنر بود و وارد عصر جدیدی در عصر مهندسی دقیق شد. میکروفن ها شامل یک دیافراگم متصل به یک خراش دهنده مکانیکی بود که شکل موج را روی سطح دودی یک درام چرخان ثبت می کرد و از دورانی که تنها منابع سر و صدای کنترل شده موجود سوت، گونگ، آژیر و شلیک گلوله بود عبور کرد.

در آن زمان نام‌های بزرگ ریلی، استوکس، تامسون، لمب، هلمهولتز، کونیگ، تیندال، کوندت و دیگران در مقالات مهم منتشر شده ظاهر شدند.

کمک آنها به فیزیک صدا با انتشار رساله دو جلدی لرد رایلی، نظریه صدا در سال 1877 دنبال شد.

در اواخر قرن نوزدهم، الکساندر گراهام بل میکروفون مغناطیسی و همراه با آن تلفن را اختراع کرد.

توماس ادیسون میکروفون کربنی را ایجاد کرد که فرستنده ای بود که برای تقریباً 100 سال در گوشی های تلفن استاندارد استفاده می شد.
پیشرفت بزرگ بعدی گرامافون ادیسون بود که امکان حفظ صدای انسان و سایر صداها را برای آیندگان فراهم کرد.

در قرن بیستم دبلیو سی سابین در مجموعه ای از مقالات منتشر شده بین سال های 1900 و 1915، آکوستیک معماری را به جایگاه یک علم ارتقا داد.

او مدت زمان واخنش یا زمان طنین را در اتاق ها با استفاده از لوله های ارگ به عنوان منبع صدا و یک کرنوگراف برای اندازه گیری دقیق زمان اندازه گیری کرد.
او نشان داد که طنین را می‌توان از روی دانش حجم اتاق، اندازه مخاطب و ویژگی‌های سطوح منعکس‌کننده صدا در کناره‌ها و سقف پیش‌بینی کرد.
اگرچه کارهای زیادی انجام شد تا تحقیقات در زمینه آکوستیک بخصوص زیر شاخه آن یعنی الکتروآکوستیک شتاب بگیرد، اما بیشترین شتاب تحقیقات در زمینه آکوستیک به دنبال اختراع لوله خلاء سه راهی (1907) و ظهور پخش رادیویی (1920) بود.

هنگامی که تقویت کننده ها و بلندگوهای لوله خلاء در دسترس قرار گرفتند، صداهای بلند با هر فرکانس دلخواه تولید می شد.

با اختراع میکروفن های متحرک و کندانسور می توان شدت صداهای بسیار ضعیف را اندازه گیری کرد. مهمتر از همه، ساخت ابزارهای اندازه گیری صوتی فشرده، ناهموار و غیر حساس به جریان هوا، دما و رطوبت امکان پذیر شد.

پیشرفت الکتروآکوستیک یا به بیانی آکوستیک ارتباطی از طریق تلاش‌های آزمایشگاه‌های تلفن بل (1920 و بعد از آن) که به توسعه سیستم تلفن در ایالات متحده اختصاص داده شد، تسریع شد.

در طول جنگ جهانی اول، بزرگترین پیشرفت ها در صداهای زیر آب بود. در دو دهه بعد (1936 به بعد) آکوستیک معماری از طریق تحقیقات در هاروارد، موسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس و چندین مرکز تحقیقاتی در انگلستان و اروپا، به ویژه آلمان، گام برداشت.

پدیده واپاشی صدا در اتاق‌های مستطیلی به تفصیل توضیح داده شد، روش امپدانس تعیین مواد صوتی مورد بررسی قرار گرفت، و محاسبه تضعیف صدا در مجراها بر اساس یک مبنای دقیق انجام گرفت.
مزایای دیوارهای اریب و استفاده از مواد صوتی بصورت پانلی به جای کل دیوارها نشان داده شد. جاذب های کاربردی به این حوزه معرفی شدند و انواع وسیع تری از مواد صوتی به بازار آمدند.

مورس، استنزل، ماست، ردزانک و بسیاری دیگر به توسعه تئوری ریاضی تابش و پراش صوت کمک کرده‌اند، البته به مکتب هلندی زرنیک، بووکمپ، استرنگ، آرتس و یانسن هم می توان اشاره کرد.

علم روان آکوستیک به سرعت در حال توسعه بود. در آزمایشگاه‌های تلفن بل، تحت رهبری هاروی فلچر، مفاهیم بلندی صدا و پوشش اندازه‌گیری شد و بسیاری از عوامل حاکم بر ارتباطات گفتاری موفق تعیین شدند (1920).

آکوستیک از طریق ابزار اولتراسونیک وارد رشته های پزشکی و شیمی شد. برای مثال، دیاترمی اولتراسونیک در حال آزمایش بود، و واکنش‌های شیمیایی شتاب‌دار صوتی گزارش شد.

سپس جنگ جهانی دوم با تقاضای آن برای شناسایی موفقیت‌آمیز زیردریایی‌های غوطه‌ور و برقراری ارتباط گفتاری بسیار قابل اعتماد در محیط‌های پر سر و صدا مانند خودروهای زرهی و هواپیماها زمینه تحقیق برای بسیاری از موضوعات جدید ضروری شد.

تامین مالی دولت ها برای بهبود در این زمینه ها منجر به تشکیل آزمایشگاه های بزرگ در انگلستان، آلمان و فرانسه و همچنین در ایالات متحده در دانشگاه کلمبیا، هاروارد و دانشگاه کالیفرنیا شد.
در این دوره، تحقیقات در زمینه آکوستیک به ابعادی رسید که چند سال قبل از آن تصورش هم سخت یود و از آن زمان تاکنون بدون وقفه ادامه یافته است.

در 50 سال گذشته، بزرگترین انقلاب بدون شک افزایش گسترده قدرت محاسباتی همراه با نرخ سریع کوچک‌سازی بوده است که منجر به انبوهی از محصولات قابل حمل دستی، از جمله تلفن‌های همراه، رایانه‌های کف دست، و دستگاه‌های اندازه‌گیری شده است.

موضوع ابعاد و اندازه چالش‌های جدیدی را برای طراح آکوستیک ایجاد کرده است زیرا فشار برای کاهش ابعاد روز به روز در حال افزایش است.
برخلاف انتظارات رایج، مبدل‌های الکتروآکوستیک از قانون مور تبعیت نمی‌کنند، بنابراین نمی‌توان تصور کرد که کاهش اندازه بدون کاهش عملکرد قابل دستیابی است، اگرچه مواد جدیدی مانند غشاهای پلی سیلیکونی برای میکروفون‌ها و آهنرباهای نئودیمیم برای بلندگوها به حفظ کمک کرده‌اند.
کاهش اندازه بلندگوها معمولاً دستیابی به حداکثر قدرت صوتی آنها را محدود می کند.

اولین موج ابزارها در دهه 1960 و اوایل دهه 1970 برای شبیه سازی مدارهای الکتریکی به وجود آمد. مهندسان آکوستیک سریعاً اینها را برای مدل‌سازی بلندگوها و میکروفون‌ها با استفاده از عناصر مدار مکانیکی و صوتی شبیه به مدارهای الکتریکی، تطبیق دادند.
با این حال، شبیه‌سازی با این روش تا حد زیادی شکل مجازی آزمایش و خطا بود، البته بسیار سریع‌تر از نمونه‌سازی واقعی، تا زمانی که تیله و اسمال نظریه فیلتر را برای تابع انتقال اعمال کردند تا طراح بتواند یک شکل پاسخ فرکانس هدف را برای یک تابع انتخاب کند.

مدل سازی المان محدود (FEM) و مدل سازی المان مرزی (BEM) هر دو به سرعت دنبال شدند.

در سال 1962، سسلر و وست نوع جدیدی از میکروفون خازنی را اختراع کردند که حاوی یک بار ذخیره شده دائمی بر روی یک غشای فلزی و همچنین یک پیش تقویت کننده بود که به میکروفون فویل الکترت معروف شد.
پس از این دستگاه، سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) که اکنون در میکروفون‌ها و پیکاپ‌های ارتعاشی (شتاب‌سنج‌ها) و ژیروسکوپ‌ها گنجانده شده‌اند، بروی کار آمدند.

یکی از تجسم های MEMS به طور گسترده در سمعک ها و تلفن های همراه استفاده می شود، جایی که روند استفاده از میکروفون های بیشتری برای حذف نویز است.
این شامل یک دیافراگم آزادانه ارتعاشی ساخته شده از پلی سیلیکون است که از یک صفحه پشتی سوراخ دار که با آن روکش شده است فاصله دارد.
نیترید سیلیکون رسوب شده با بخار هنگامی که دستگاه جابجا می شود، تغییری در ظرفیت خازن ایجاد می شود. ترکیبی از هزینه کم، اندازه کوچک، قابلیت اطمینان و کیفیت نزدیک به استودیو، که میکروفون کربنی را منسوخ کرده است.
امروزه آکوستیک دیگر ابزار صنعت تلفن، معدود معماران روشنفکران و مباحث نظامی نیست. این یک بخش مهم در زندگی روزمره تقریباً هر فردی است.

همه افراد جامعه در محل زندگی خود و پرسنل بخش های اداری و فضاهای صنعتی خواستار محیط های صوتی ایمن و راحت برای زندگی و کار هستند.

تولید کنندگان از ابزار دقیق آکوستیک در خطوط تولید خود استفاده می کنند. علاوه بر این، پیشرفت زیادی در کاهش سر و صدای هواپیماهای پیشران موتور جت صورت گرفته است، که در این زمینه تحقیقات و کارهای تاثیر گذاری توسط بولت برانک و نیومن در اواخر دهه 1950 انجام شد و با پیشرفت‌های موفق ادامه یافت.

به طور کلی، ما شاهد تکامل سریع درک خود از الکتروآکوستیک، آکوستیک معماری، آکوستیک ساختاری، صدای زیر آب، آکوستیک فیزیولوژیکی و روانشناختی، آکوستیک موسیقی و اولتراسونیک هستیم.

پیش‌بینی آینده با قطعیت دشوار است، به راستی می توان گفت که اگرچه بیش از 100 سال از انتشار نظریه صدا ریلی می گذرد، هنوز چیزهای زیادی برای کشف وجود دارد.

گرایش های علم آکوستیک

کاربرد آکوستیک تقریباً در تمام جنبه های جامعه مدرن وجود دارد. شنوایی یکی از مهم ترین ابزارهای بقا در دنیای همه موجودات زنده بخصوص انسان ها است و در کنار آن گفتار یکی از بارزترین ویژگی های رشد و فرهنگ انسان است.

بر این اساس، علم آکوستیک در بسیاری از جنبه‌های جامعه بشری از پزشکی، ارتباطات و الکتروآکوستیک، معماری، تولیدات صنعتی تا موسیقی گسترش یافته و خواهد یافت.

علم آکوستیک دارای گرایش های بسیاری است که در همه این گرایش ها بخش هایی که بسیار کاربردی هستند و در زندگی بشری نقش سازنده ای دارند را درگیر نموده است.

الکتروآکوستیک، آکوستیک روانی، آکوستیک زیرآب، آکوستیک فراصوت و فرو صوت، ارتعاشات، آکوستیک ساختمانی،‌ آکوستیک معماری، پردازش گفتار، کنترل نویز و بسیاری زمینه های دیگر از گرایش های بسیار کاربردی و مهم در آکوستیک هستند.

کمیته های استاندارد سازی در زمینه آکوستیک

یکی از کمیته های استاندارد سازی در زمینه آکوستیک کمیته فنی شماره 43 سازمان بین المللی استاندارد ISO است که با عنوان ISO TC43 Acoustic شناخته می شود. این کمیته از زیر شاخه های نویز، آکوستیک ساختمانی و آکوستیک زیر آب تشکیل شده است.

کمیته دیگری نیز وجود دارد که در زمینه اکتروآکوستیک در سازمان بین المللی برق و الکترونیک IEC فعالیت می کند که با نام IEC SC29 Electroacoustic فعالیت می کند.