צליל: היסטוריה, מאפיינים, אופן הפקתם, סוגים - גוּפָנִי - 2025

הצליל מוגדר הפרעות אל ההפצה במדיום כמו אוויר, לסירוגין הוא מייצר לחיצות ורחבות בו. שינויים אלה בלחץ האוויר וצפיפותם מגיעים לאוזן ומתפרשים על ידי המוח כתחושות שמיעה.

קולות מלווים את החיים מאז היווסדו, והם מהווים חלק מהכלים שעל בעלי החיים לתקשר זה עם זה ועם סביבתם. יש אנשים שטוענים כי גם צמחים מקשיבים, אך בכל מקרה הם יכלו לתפוס את תנודות הסביבה גם אם אין להם מכשיר שמיעתי כמו בעלי חיים גבוהים יותר.

איור 1. קרע של מחסום הקול

בנוסף לשימוש בסאונד כדי לתקשר באמצעות דיבור, אנשים משתמשים בו כביטוי אומנותי באמצעות מוסיקה. לכל התרבויות, העתיקות והעתיקות, יש ביטויים מוזיקליים מכל הסוגים, דרכם הם מספרים את סיפוריהם, מנהגיהם, אמונותיהם הדתיות ורגשותיהם.

הִיסטוֹרִיָה

בשל חשיבותה, האנושות התעניינה בחקר טבעה ויצרה אקוסטיקה, ענף פיזיקה המוקדש לתכונותיהם והתנהגותם של גלי קול.

ידוע כי המתמטיקאי המפורסם פיתגורס (569-475 לפני הספירה) בילה זמן רב בחקר ההבדלים בגובה (תדר) בין צלילים. מצד שני, אריסטו, שהעריך השערות בכל תחומי הטבע, טען נכונה כי הצליל מורכב מהרחבות ודחיסות באוויר.

מאוחר יותר כתב המהנדס הרומי המפורסם ויטרוביוס (80-15 לפני הספירה) מסה בנושא אקוסטיקה ויישומיה בבניית תיאטראות. אייזק ניוטון עצמו (1642-1727) בחן את התפשטות הצליל בתקשורת מוצקה וקבע נוסחה למהירות התפשטותה.

עם הזמן, כלי החישוב המתמטיים אפשרו לבטא כראוי את כל המורכבות של התנהגות הגלים.

מאפייני צליל (מאפיינים)

במתכונתו הפשוטה ביותר, ניתן לתאר גל קול כגל סינוסי, המתפשט בזמן ובמרחב, כמו זה שמוצג באיור 2. שם נצפה כי הגל הוא תקופתי, כלומר יש לו דרך שחוזרת על עצמה בזמן.

מכיוון שמדובר בגל אורכי, כיוון ההתפשטות והכיוון בו חלקיקי המדיום הרוטט נעים זהים.

פרמטרים של גל קול

איור 2. צליל הוא גל אורכי, ההפרעה מתפשטת באותו הכיוון בו המולקולות חוות את עקירתם. מקור: Wikimedia Commons.

הפרמטרים של גל הקול הם:

תקופה T: היא הזמן שלוקח לחזור על שלב של הגל. במערכת הבינלאומית הוא נמדד בשניות.

מחזור : הוא החלק של הגל שנמצא בתוך התקופה ומכסה מנקודה אחת לאחרת שיש לו אותו גובה ואותו שיפוע. זה יכול להיות מעמק אחד למשנהו, מרכס אחד למשנהו, או מנקודה אחת לאחרת שעונה על המפרט שתואר.

אורך גל λ : הוא המרחק בין פסגה אחת לאחרת של הגל, בין עמק אחד למשנהו, או באופן כללי בין נקודה אחת לאחרת עם אותו גובה ומדרון. בהיותו אורך הוא נמדד במטרים, אם כי יחידות אחרות מתאימות יותר בהתאם לסוג הגל.

תדר f : מוגדר כמספר המחזורים ליחידת זמן. היחידה שלה היא הרץ (הרץ).

משרעת א ': מתאימה לגובה המרבי של הגל ביחס לציר האופקי.

כיצד מייצרים ומופצים צליל?

צליל מופק כאשר רטט אובייקט השקוע במדיום חומרי, כפי שמוצג בתחתית איור 2. הממברנה המתוחה של הרמקול משמאל רוטט ומעביר את ההפרעה באוויר עד מגיע למאזין.

ככל שההפרעה מתפשטת, אנרגיה מועברת למולקולות בסביבה, האינטראקציה זו עם זו, באמצעות הרחבות ודחיסות. אתה תמיד צריך מדיום חומרי להפצת קול, בין אם זה מוצק, נוזלי או גז.

כאשר ההפרעה באוויר מגיעה לאוזן, וריאציות בלחץ האוויר גורמות לרטט בעור התוף. זה מוליד דחפים חשמליים המועברים למוח דרך עצב השמיעה, ופעם אחת שם הדחפים מתורגמים לצליל.

מהירות הצליל

מהירות הגלים המכניים במדיום נתון עוקבת אחר קשר זה:

לדוגמה, כאשר מתפשטים באוויר כמו אוויר, ניתן לחשב את מהירות הצליל כ:

ככל שהטמפרטורה עולה כך גם מהירות הקול, מכיוון שהמולקולות במדיום מוכנות יותר לרטוט ולהעביר את הרטט באמצעות תנועותיהם. הלחץ לעומת זאת אינו משפיע על ערכו.

קשר בין אורך גל לתדר

ראינו כבר שהזמן שלוקח לגל להשלים מחזור הוא התקופה, בעוד שהמרחק שנסע באותה פרק זמן שווה לאורך גל אחד. לכן המהירות v של הצליל מוגדרת כ:

מצד שני, התדירות והתקופה קשורות, האחת היא ההיפוכה של השנייה, כמו זו:

שמוביל ל:

טווח התדרים הקריא בבני אדם הוא בין 20 ל 20,000 הרץ, ולכן אורך הגל של הקול הוא בין 1.7 ס"מ ל 17 מ 'כאשר מחליפים את הערכים במשוואה לעיל.

אורכי גל אלה הם בגודל של עצמים משותפים, המשפיעים על התפשטות הצליל, מכיוון שהוא גל, הוא חווה השתקפות, שבירה ודיפרקציה כאשר הוא נתקל במכשולים.

חווית דיפרקציה משמעה שהצליל מושפע כאשר הוא נתקל במכשולים ופתחים שקרובים לגודל או פחות מאורך הגל שלו.

צלילי בס יכולים להתפשט בצורה הטובה ביותר על פני מרחקים ארוכים, וזו הסיבה שפילים משתמשים באינפרא-סאונד (צלילים בתדרים נמוכים מאוד, בלתי נשמעים לאוזן האנושית) בכדי לתקשר על שטחי השטח העצומים שלהם.

גם כשיש מוסיקה בחדר סמוך, הבס נשמע טוב יותר מהטרבל, מכיוון שאורך הגל שלו הוא בערך בגודל הדלתות והחלונות. מצד שני, כשיוצאים מהחדר, הצלילים הגבוהים הולכים לאיבוד בקלות ולכן מפסיקים להישמע.

כיצד נמדדים צלילים?

הצליל מורכב מסדרת דחיסות ונדירות של האוויר, באופן שככל שהוא מתפשט הצליל גורם לעלייה וירידה בלחץ. במערכת הבינלאומית נמדד הלחץ בפסקלים, המקוצר בפא.

מה שקורה הוא שהשינויים הללו הם קטנים מאוד בהשוואה ללחץ האטמוספרי, ששווה בערך 101,000 פאבה.

אפילו הצלילים הקשים ביותר מפיקים תנודות של עד 20-30 פאבה (סף כאב), כמות קטנה למדי בהשוואה. אבל אם אתה יכול למדוד את השינויים האלה, יש לך דרך למדוד צליל.

לחץ קול הוא ההבדל בין לחץ אטמוספרי עם צליל ולחץ אטמוספרי ללא קול. כאמור, הצלילים הכי חזקים מפיקים לחצי צליל של 20 פא, בעוד שהחלשים ביותר גורמים לכ- 0.00002 Pa (סף צליל).

מכיוון שמגוון לחצי הקול משתרע על כמה עוצמות של 10, יש להשתמש בסולם לוגריתמי כדי לציין אותם.

מצד שני, בניסוי נקבע כי אנשים תופסים שינויים בצלילים בעוצמה נמוכה בולט יותר משינויים בסדר גודל זהה אך בצלילים עזים.

לדוגמה, אם לחץ הקול גדל בעוצמה של 1, 2, 4, 8, 16 … האוזן תופסת עליות של 1, 2, 3, 4 … בעוצמה. מסיבה זו, נוח להגדיר כמות חדשה הנקראת רמת לחץ סאונד (רמת לחץ סאונד) L _P , המוגדרת כ:

כאשר P _o הוא לחץ ההתייחסות הנוטל סף השמיעה ו- P ₁ הוא הלחץ האפקטיבי הממוצע או לחץ RMS. RMS או לחץ ממוצע זה הם מה שהאוזן תופסת כאנרגיה הממוצעת של אות הקול.

דציבלים

התוצאה של הביטוי הנ"ל עבור L _P , כאשר הערכה לערכים שונים של P ₁ , ניתנת בדציבלים, כמות מימדים. הבעת רמת הלחץ הקולית כזו נוחה מאוד, מכיוון שהלוגריתמים ממירים מספרים גדולים למספרים קטנים יותר וניתנים לניהול.

עם זאת, במקרים רבים עדיף להשתמש בעוצמת הקול כדי לקבוע דציבלים ולא לחץ קול.

עוצמת הקול היא האנרגיה הזורמת לשנייה (כוח) דרך משטח יחידה המכוונת בניצב לכיוון בו הגל מתפשט. בדומה ללחץ צליל, זהו כמות סקלרית ומצוינת בי. היחידות של I הן W / m ² , כלומר, כוח ליחידה.

ניתן להראות שעוצמת הצליל היא פרופורציונאלית לריבוע לחץ הקול:

בביטוי זה, ρ הוא צפיפות המדיום ו- c הוא מהירות הצליל. ואז רמת עוצמת הצליל L _I מוגדרת כ:

שמתבטא גם בדציבלים ולעיתים מצוין באות היוונית β. ערך ההתייחסות I _o הוא 1 x 10 ^-12 W / m ² . כך, 0 dB מייצג את הגבול התחתון של שמיעה אנושית, בעוד סף הכאב הוא 120 dB.

מכיוון שמדובר בסולם לוגריתמי, יש להדגיש כי הבדלים קטנים במספר הדציבלים עושים הבדל גדול מבחינת עוצמת הצליל.

מד מפלס הקול

מד מפלס קול או דציבבל מד הוא מכשיר המשמש למדידת לחץ קול, המציין את המדידה בדציבלים. זה נועד להגיב אליו באותה דרך שהאוזן האנושית הייתה עושה.

איור 3. מד מפלס הקול או הדציבבל מד משמש למדידת רמת לחץ הקול. מקור: Wikimedia Commons.

זה מורכב ממיקרופון לאיסוף האות, יותר מעגלים עם מגברים ומסננים שאחראים על הפיכת האות כנדרש לזרם חשמלי, ולבסוף סולם או מסך כדי להציג את תוצאת הקריאה.

הם נמצאים בשימוש נרחב כדי לקבוע את ההשפעה שיש לרעשים מסוימים על אנשים ועל הסביבה. למשל רעשים במפעלים, תעשיות, שדות תעופה, רעשי תנועה ורבים אחרים.

סוגי צלילים (אינפרא-סאונד, אולטרסאונד, מונו, סטריאו, פוליפוני, הומופוני, בס, טרבל)

הצליל מאופיין בתדר שלו. על פי אלה שהאוזן האנושית יכולה ללכוד, כל הצלילים מסווגים לשלוש קטגוריות: אלה שאנחנו יכולים לשמוע או הספקטרום הקולי, אלה שיש להם תדר מתחת לגבול התחתון של הספקטרום הקולי או אינפרה-סאונד, ואלה שהם מעל הספקטרום הקולי. הגבול העליון, הנקרא אולטרסאונד.

בכל מקרה, מכיוון שגלי קול יכולים לחפוף באופן לינארי, צלילים יומיומיים, שלפעמים אנו מפרשים כייחודיים, מורכבים למעשה מצלילים שונים בעלי תדרים שונים אך קרובים.

תרשים 4. טווחי תדרים ותדרים. מקור: Wikimedia Commons.

ספקטרום נשמע

האוזן האנושית מיועדת לאסוף מגוון רחב של תדרים: בין 20 ל 20,000 הרץ, אך לא כל התדרים בתחום זה נתפסים באותה עוצמה.

האוזן רגישה יותר בפסק התדרים שבין 500 ל 6,000 הרץ, אולם ישנם גורמים נוספים המשפיעים על יכולת התפיסה של הצליל, כמו גיל.

אינפאונד

הם צלילים שתדירותם פחות מ 20 הרץ, אך העובדה שבני האדם לא יכולים לשמוע אותם אין פירושה שבעלי חיים אחרים אינם יכולים. לדוגמה, פילים משתמשים בהם כדי לתקשר, מכיוון שאינפרא-סאונד יכול לנסוע למרחקים ארוכים.

בעלי חיים אחרים, כמו הנמר, משתמשים בהם כדי להמם את טרפם. אינפרא-סאונד משמש גם לגילוי עצמים גדולים.

אולטרסאונד

יש להם תדרים העולים על 20,000 הרץ והם נמצאים בשימוש נרחב בתחומים רבים. אחד השימושים הבולטים באולטרסאונד הוא ככלי רפואי, הן לאבחון והן לטיפול. התמונות המתקבלות באולטרסאונד אינן פולשניות ואינן משתמשות בקרינה מייננת.

אולטרסאונד משמשים גם למציאת תקלות במבנים, קביעת מרחקים, גילוי מכשולים במהלך הניווט ועוד. בעלי חיים עושים שימוש גם באולטרסאונד, ולמעשה כך התגלה קיומו.

עטלפים פולטים פולסים של צליל ואז מפרשים את ההד שהם מייצרים כדי לאמוד מרחקים ולאיתור טרף. מצדם, כלבים יכולים לשמוע גם אולטרא-סאונד וזו הסיבה שהם מגיבים לשריקת הכלבים שבעלים שלהם לא יכול לשמוע.

צליל מונופוני וצליל סטריאופוני

איור 4. באולפן הקלטות, הצליל משתנה כראוי על ידי מכשירים אלקטרוניים. מקור: Pixabay.

צליל מונופוני הוא אות שהוקלט באמצעות מיקרופון או ערוץ שמע יחיד. כשמקשיבים באוזניות או בקרני צליל, שתי האוזניים שומעות בדיוק את אותו הדבר. לעומת זאת, צליל סטריאופוני מקליט אותות עם שני מיקרופונים עצמאיים.

המיקרופונים ממוקמים במיקומים שונים כך שהם יכולים להרים לחצי צליל שונים של מה שאתה רוצה להקליט.

ואז כל אוזן מקבלת אחת ממערכות האותות הללו, וכשהמוח אוסף ומפרש אותן, התוצאה מציאותית בהרבה מאשר בהאזנה לצלילים מונופוניים. לפיכך זוהי השיטה המועדפת כשמדובר במוזיקה וקולנוע, למרות שעדיין משתמשים ברדיו מונופוני או מונוראלי, במיוחד לראיונות ושיחות.

הומופוניה ופוליפוניה

מבחינה מוזיקלית, ההומופוניה מורכבת מאותה מנגינה המנוגנת על ידי שני קולות או כלים או יותר. לעומת זאת בפוליפוניה ישנם שני קולות או יותר מכשירים בעלי חשיבות שווה העוקבים אחר מנגינות ואפילו מקצבים שונים. ההרכב שהתקבל מהצלילים הללו הוא הרמוני, כמו המוזיקה של באך.

צלילי בס וטרבל

האוזן האנושית מפלה תדרים נשמעים כגבוהים, נמוכים או בינוניים. זה מה שמכונה גובה הצליל.

התדרים הגבוהים ביותר, בין 1600 ל 20,000 הרץ, נחשבים כצלילים חריפים, הלהקה שבין 400 ל 1600 הרץ תואמת לצלילים בעלי טון בינוני ולבסוף, התדרים בטווח של 20 עד 400 הרץ הם צלילי הבס.

קולות בס נבדלים מטרבל בכך שהראשונים נתפסים כעמוקים, אפלים ובורחים, ואילו האחרונים קלילים, צלולים, שמחים ונוקבים. כמו כן, האוזן מפרש אותם כחזקים יותר, בניגוד לצלילי בס, המייצרים תחושה של פחות עוצמה.

הפניות

1. Figueroa, D. 2005. גלים ופיזיקה קוונטית. סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. נערך על ידי ד. פיגארואה.
2. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. 6. אולם אד פרנטיס.
3. Rocamora, A. הערות על אקוסטיקה מוזיקלית. התאושש מ: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). פיסיקה למדע והנדסה. כרך 1. 7. למידה של אד. צ'נגז '.
5. ויקיפדיה. אֲקוּסְטִיקָה. התאושש מ: es.wikipedia.org.