صوت چیست؟

سرعت صوت چیست و آنالیز صوت چه کاربردی دارد؟

صوت ارتعاش یا موجی است که از یک وسیله قابل ارتجاع متصاعد می‌شود. سرعت صوت، فاصله‌ای‌ست که یک موج صوتی در مدت زمان یک ثانیه در یک سیال می‌پیماید. سرعت صوت (به انگلیسی: Speed of sound) مشخص می‌کند که این موج در بازهٔ مشخصی از زمان چه مسافتی را طی می‌کند. در هوای خشک و در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد (۶۸ درجه فارنهایت)، سرعت صوت ۳۴۳.۲ متر بر ثانیه (۱۱۲۶ فوت بر ثانیه)، ۱۲۳۶ کیلومتر بر ساعت (۷۶۸ مایل بر ساعت) یا به طور تقریبی، یک کیلومتر در سه ثانیه و یا تقریبا یک مایل در پنج ثانیه است. سرعت صوت را با صوت سنج اندازه گیری می کنند. در دینامیک سیالات، سرعت صوت در یک سیال (گاز یا مایع)، به عنوان یک ابزار حساب‌گری نسبی خود سرعت استفاده می‌شود. سرعت یک شیئ (فاصله بر زمان) تقسیم بر سرعت صوت در سیال به عنوان عدد ماخ شناخته می‌شود. اشیایئ که با سرعت بیشتر از یک ماخ حرکت می‌کنند، در سرعت‌های سوپرسونیک حرکت می‌کنند.
سرعت صوت در یک گاز ایده‌آل، مستقل از فرکانس است (این جمله نیاز به ذکر منبع دارد) وتابعی از ریشه‌ی دوم دمای مطلق است ولی به فشار یا چگالی آن گاز وابسته نیست. برای گاز‌های مختلف، سرعت صوت به طور معکوس به ریشه دوم میانگین جرم مولکولی گاز بستگی دارد.
در گفتگو‌های مرسوم روزمره، منظور از سرعت صوت، سرعت موج صوتی در سیالِ هوا است. با این حال، سرعت صوت از یک ماده به ماده‌ی دیگر متفاوت است. صوت در مایعات و جامدات نامتخلخل سریع‌تر از هوا، حرکت می‌کند. می‌توان گفت سرعت صوت در آب حدود ۴.۳ برابر (۱۴۸۴ متر بر ثانیه)، و در آهن تقریبا ۱۵ برابر (۵۱۲۰ متر بر ثانیه) سرعت آن در هوای ۲۰ درجه سانتی‌گراد است.
سرعت صوت در فلزات و جامدات، مایعات، درون محیط هایی که فشرده گی هوای آن ها نسبت به محیط آزاد بیشتر است، مناطق سرد و مرطوب و پست تر از دریا، مناطق سرد و مرطوب در کنار دریا، مناطق سرد و مرطوب بالاتر از دریا، مناطق مرطوب بالاتر از دریا نسبت به هوای آزاد در حالت عادی به ترتیب ذکر شده بیشتر است. صوت از محیط هایی که مادی نیستند (در آنجا ماده وجود ندارد) نمی تواند عبور کند.

واحد اندازه گیری صوت

دسی‌بل، (به انگلیسی: Decibel)، یک واحد لگاریتمی برای بیان نسبت یک کمیت فیزیکی (معمولاً توان یا شدت) به یک مقدار مرجع مشخص است. مقدار دسی‌بل یک کمیت، ۱۰ برابر لگاریتم در پایه ۱۰ نسبت مقدار واقعی آن به مقدار مرجع است. از آنجا که دسی‌بل نسبت دو کمیت فیزیکی با یکای یکسان است، بی‌بعد است. یک دسی‌بل، یک دهم یک بِل است ولی بِل به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد و معمولاً از دسی‌بل استفاده می‌شود.
دسی‌بل معمولاً به عنوان یکای تراز فشار صدا شناخته می‌شود، ولی علاوه بر تراز صدا، دسی‌بل در بسیاری از اندازه‌گیری‌های علمی و مهندسی از جمله در زمینه‌های آکوستیک، الکترونیک و کنترل مورد استفاده قرار می‌گیرد. در الکترونیک، بهرهٔ تقویت‌کننده‌ها، افت سیگنال‌ها و نسبت سیگنال به نویز معمولاً برحسب دسی‌بل بیان می‌شوند.

آکوستو اپتیک

آکوستو اپتیک شاخه ای از فیزیک است که به بررسی برهم کنش امواج نوری و امواج صوتی و به خصوص پراش لیزر به وسیله ی امواج صوتی می پردازد.
اپتیک تاریخچه ای بسیار طولانی دارد: از زمان یونانیان باستان تا عصر حاضر درست مانند اپتیک، آکوستیک نیز تاریخچه ای طولانی دارد که به زمان یونانیان باستان باز می گردد. در مقابل آکوستو اپتیک علمی بسیار نوین با تاریخچه ای کوتاه است. این زمینه از علم با پیش بینی بریلوئن در مورد پراش نور بوسیله ی امواج صوتی منتشر شده در ماده در سال 1922 میالادی آغاز شد. این پیش بینی ده سال بعد توسط دبای و سیرز و همچنین لوکاس و بیکارد آزمایش و تایید شد.
مورد خاص پراش مرتبه ی اول تحت یک زاویه ی فرود خاص (که بریلوئن هم پیش بینی آن را کرده بود) برای اولین بار توسط ریتوف دیده شد. رامان و نث در سال 1937 یک مدل عمومی تر را طراحی کردند که پراش های مرتبه ی بالاتر را آشکار کند. این مدل بعد ها در سال 1956 توسط فریزو توسعه پیدا کرد. مدل وی قابل تنظیم بر مرتبه ی پراشی مشخص بود.
اساس آکوستو اپتیک، تغییر ضریب شکست به خاطر حضور موج صوتی در ماده است. موج صوتی یک شبکه ی ضریب شکست در ماده به وجود می آورد و این شبکه توسط موج نوری "دیده" می شود. تغییر ضریب شکست که به خاطر نوسان فشار ایجاد شده، به وسیله آثار شکست نور، بازتاب نور، تداخل و پراش قابل شناسایی است.
تئوری اثر آکوستو اپتیکی در واقع حالت خاصی از فوتوالاستیسیته (تغییر در ضریب گذر دهی الکتریکی به خاطر کشش مکانیکی) است. فوتوالاستیسیته یعنی تغییر مولفه های ضریب شکست به خاطر کشش مکانیکی که تانسور فوتو الاستیک است.
در مورد خاص آکوستواوپتبک کشش مکانیکی به خاطر موج صوتی منتشر شده در محیط شفاف ایجاد می شود که همین موضوع ضریب شکست را تغییر می دهد. اگر موج صوتی موج تخت و با راستای انتشار z باشد داریم: و ضریب شکست رابطه 2 یک توری پراش می سازد که با سرعت صوت حرکت می کند. نوری که از این توری عبور کند یک الگوی پراش می سازد. رابطه ی این الگو به شکل زیر است: که در آن m مرتبه ی پراش و طول موج صوت است.

ابزارهای الکترو اپتیکی

ابزار های آکوستو اپتیکی شامل سه گروه زیر هستند:

 مدولاتور الکترو اپتیکی

با تغییر پارامترهای موج صوتی مانند دامنه، فاز، فرکانس، و قطبش می توان خواص موج نوری را مدوله کرد. برهمکنش نور و صوت همچنین امکان مدوله کردن زمانی و فضایی موج نوری را فراهم می آورد.
یک راه ساده برای مدوله کردن پرتوی اپتیکی عبور نور از محیطی است که در آن موج صوتی به طور متناوب روشن و خاموش شود. وقتی صوت خاموش باشد زاویه ی پراش صفر و نور بی تغییر است. با روشن شدن صوت پراش رخ می دهد و شدت صوت در زوایای پراش افزایش ی یابد. با ثابت نگاه داشتن فرکانس صوتی و تغییر در توان مولد صوت می توان این ابزار را به یک مدولاتور آکوستواپتیکی تبدیل نمود. در طراحی مدولاتور باید به نحوی عمل کرد که ماکزیمم شدت نور در پرتوی پراشیده رخ بدهد. مدت زمانی که طول می کشد صوت از ماده عبور کند نیز محدودیتی بر سرعت سوییچ کردن تحمیل می کند. برای همین پرتوی نوری را تا حد ممکن باریک می کنند. باریک ترین پرتوی نوری ممکن را حد پهنای باند می نامند.

فیلتر های الکترو اپتیکی

رابطه ی 4 ارتباطی را میان طول موج صوتی و طول موج نوری نشان می دهد. در واقع پرتوی نوری تابیده شده، اگر دارای تعداد زیادی طول موج باشد فقط در طول موج های خاصی پراکنده می شود. مابقی طول موج ها فیلتر خواهند شد.

منحرف کننده های الکترو اپتیکی

با ایجاد یک تغییر در فرکانس صوت می توان تغییر زاویه ای در پرتوی نوری ایجاد کرد. این تغییر از رابطه ی زیر پیروی می کند. از این خاصیت در ساخت منحرف کننده ها استفاده می کنند.

اهمیت آنالیزر صوت در صنعت

برخی از اشکالات و عیوب در ماشین آلات و تجهیزات، منجر به ایجاد امواج صوتی می شوند. این امواج از طریق جسم جامد هوا منتشر می شوند. امواج منتشر شده به کمک دستگاه و سنسورهای مناسب، تشخیص داده شده و با تحلیل ویژگی های آن ها، نوع عیب قابل شناسایی است.
منظور از آنالیز صوت (Acoustic Emission) در مباحث پایش و عیب یابی تجهیزات دوار، با آنچه در تست های غیرمخرب (NDT)  است، متفاوت می باشد. در واقع در بحث پایش تجهیزات و ماشین آلات، امواج صوتی منتشر شده توسط آن هامورد مطالعه قرار می گیرد. در حالی که در بحث تست های غیر مخرب امواج مصنوعی در حالت کاملاً کنترل شده ایجاد شده وبا بررسی چگونگی انعکاس امواج فوق، برخی عیوب ساختاری مورد کنکاش قرار می گیرند.
با توجه به محدوده فرکانسی، آنالیز صوت در موضوع پایش وضعیت را به دو بخش آنالیز فراصوت (Ultrasonic) و آنالیز صداتقسیم می کنیم که البته در برخی موارد ریشه های مشترک دارند.

آنالیز فراصوت و کاربردهای آن در پایش وضعیت

برخی از اشکالات و عیوب، منجر به ایجاد امواج فراصوت و پخش آنها می شوند. با در نظر گرفتن محیط واسط، به طور کلی دو نوع موج فراصوت داریم:
امواج منتشر شده توسط اسكلت تجهیزات (Structure borne)
امواج منتشر شده توسط هوا (Air Borne)
که هر دو نوع آن به کمک دستگاه دریافت كننده فراصوت (Ultrasonic Detector) انواع حسگرهای موجود، تشخیص داده شده و با تحلیل ویژگی های آن ها، نوع عیب قابل شناسایی است. همچنین با توجه به شدت امواج، محل عیب با دقت قابل ملاحظه ای تعیین می گردد. زیرا به علت وجود میرایی (Damping) دور شدن از منبع اصلی، امواج فراصوت به سرعت میرا می شوند.

آنالیز صوت

علاوه بر امواج فراصوتی، امواج صوتی نیز از تجهیزات در حال کار در محیط منتشر می شود. طیف فرکانسی صدا با کمک یک میکروفون و دستگاه تحلیل گر (Analyzer) قابل مشاهده است که از جهات بسیاری شبیه طیف ارتعاشات خواهد بود، زیرا با مکانیزم مشابهی ایجاد می شوند. ابتدایی ترین ابزار برای عیب یابی از طریق صدا، قدرت شنوایی انسان است. زیرا گوش انسان قادر به تشخیص الگوهای پیچیده  صوت و تفکیک آن ها از یکدیگر و نیز ربط دادن آن به انواع خرابی است. برای شنیدن بهتر می توان از گوشی های چک صدا استفاده کرد.