دید کلی:

زمین لرزه یکی از وحشتناک ترین پدیده های طبیعت محسوب می شود. اغلب ‏زمینی را که روی آن ‏ایستاده ایم، به صورت تخته سنگ های صلب و محکمی تصور ‏می کنیم که از استحکام زیادی برخوردار ‏است. هنگامی که زمین لرزه ای روی ‏می دهد، برای لحظه ای این تصور بر هم می ریزد. اما طی همان لحظه ‏کوتاه ‏خسارت های شدیدی وارد می شود. با توجه به پیشرفت هایی که در حوزه علوم ‏مختلف صورت گرفته ‏است، دانشمندان توانسته اند نیروهایی را که باعث زمین ‏لرزه می شود، شناسایی کنند.‏

علاوه بر آن با استفاده از فناوری های نوین می توان شدت یک زلزله و مکان آن را ‏حدس زد. مهم ترین ‏کار آن است که راهی برای پیش گویی زمین لرزه بیابیم تا ‏مردم هنگام وقوع آن غافلگیر نشوند. درست مثل ‏هنگامی که در سطح آب ‏اغتشاش روی می دهد، انرژی آن به صورت فیزیک امواج منتقل می شود، وقتی که ‏شکست ‏یا جابه جایی در پوسته زمین روی می دهد، انرژی آن به صورت فیزیک امواج ‏زمین لرزه منتقل می ‏شود. ‏

نحوه پیدایش فیزیک امواج زمین لرزه:

در هر زمین لرزه ای چند نوع موج مختلف مشاهده می شود. فیزیک امواج اصلی از ‏لایه های داخلی زمین عبور می ‏کنند، در حالی که فیزیک امواج سطحی از سطح ‏می گذرند. اغلب ویرانی های زلزله توسط فیزیک امواج سطحی که فیزیک امواج ‏L‏ هم نامیده ‏می شوند، به وجود می آید، زیرا این فیزیک امواج ارتعاشات شدیدی را به وجود ‏می آورند. هنگامی که ‏امواج اصلی به سطح زمین رسیدند، فیزیک امواج سطحی را به ‏وجود می آورند. ‏

تقسیم بندی فیزیک امواج زمین لرزه:

‏امواج اصلی به دو گروه مهم تقسیم بندی می شوند:‏

• امواج اولیه:
  
  
  • امواج اولیه که فیزیک امواج ‏P‏ نیز نامیده می شوند، با سرعت 5.1 تا 8 کیلومتر در ‏ساعت حرکت می کنند.
    
    
  • سرعت حرکت این فیزیک امواج به جنس زمینی که این فیزیک امواج از آنها عبور می کنند ‏بستگی دارد.
    
    
  • سرعت این فیزیک امواج از موج های دیگر بیشتر است و بنابراین سریع تر به سطح ‏زمین می رسند.
    
    
  • این فیزیک امواج قابلیت عبور از جامدات ، مایعات و گازها را دارند و به همین دلیل ‏به ‏طور کامل از زمین عبور می کنند. وقتی که این فیزیک امواج از صخره ها عبور می کنند، ‏در مسیر حرکت خود ‏به آنها به سمت جلو و عقب فشار وارد می کنند.

• امواج ثانویه:
  
  
  • امواج ثانویه امواج ‏S‏ نامیده می شوند و مدت کوتاهی بعد از امواج ‏P‏ ‏می رسند. ‏این فیزیک امواج هنگام حرکت خود، صخره ها را به سمت بالا فشار می دهند، یعنی ‏ارتعاش صخره ها ‏عمود بر مسیر حرکت این فیزیک امواج است. فیزیک امواج ‏S‏ برخلاف فیزیک امواج ‏P‏ ‏نمی توانند در داخل زمین به خط مستقیم ‏حرکت کنند.‏
    
    
  • این فیزیک امواج فقط از مواد جامد می گذرند و به همین دلیل هنگامی که در مرکز ‏زمین به مایع برسند، متوقف ‏می شوند. با این همه هر دو نوع موج از سطح زمین ‏می گذرند و بنابراین می توان آنها را در آن سوی نقطه ‏ای که زمین لرزه روی داده ‏است، شناسایی کرد.‏

شناسایی فیزیک امواج زمین لرزه:

سه نوع مختلف موج زلزله وجود دارد که هر کدام با سرعت مشخصی حرکت ‏می کند. به رغم آنکه سرعت ‏دقیق فیزیک امواج ‏P‏ و ‏S‏ بسته به جنس و نوع ماده ای که ‏این فیزیک امواج از آن عبور می کنند، متغیر است، نسبت سرعت ‏حرکت آن دو در تمام ‏زمین لرزه ها تقریباً ثابت باقی می ماند. معمولاً سرعت فیزیک امواج ‏P‏ ، حدود 6.1 ‏‏برابر سرعت فیزیک امواج ‏S‏ است.‏

‏دانشمندان می توانند با استفاده از این نسبت ، فاصله ‏بین هرنقطه از سطح زمین را با کانون زمین لرزه ‏محاسبه کنند. کانون زلزله مکانی ‏است که فیزیک امواج زمین لرزه از آنها شروع شده اند. برای تشخیص کانون ‏زلزله از ‏ابزاری استفاده می شود که زلزله نگار نامیده می شود. ‏

دستگاه زلزله نگار:

زلزله نگار دستگاهی است که فیزیک امواج مختلف را ثبت می کند. برای یافتن فاصله بین ‏زلزله نگار و کانون ‏زلزله ، دانستن زمان رسیدن این فیزیک امواج نیز ضروری است. با در ‏اختیار داشتن این اطلاعات، اختلاف زمانی ‏بین رسیدن این فیزیک امواج محاسبه شده و ‏سپس نمودار ویژه ای رسم می شود که در آن فاصله ای را که موج می ‏تواند طی ‏مدت اختلاف زمانی محاسبه شده طی کند، به دست می آید. اگر اطلاعاتی از این ‏دست را از سه یا ‏چند نقطه مختلف به دست آوریم، می توان مکان کانون زلزله را ‏به دست آورد.‏

بدست آوردن مکان کانون زلزله:

برای این کار کافی است که کره ای فرضی حول هر یک از زلزله نگار ها رسم کرد ‏که در آن مکان اندازه ‏گیری به عنوان مرکز کره و فاصله محاسبه شده تا کانون ‏زلزله به عنوان شعاع کره در نظر گرفته می شود. ‏پس سطح کره مورد نظر نشان ‏دهنده تمام نقاطی است که از زلزله نگار به اندازه مورد نظر فاصله دارد. ‏بنابراین ‏کانون زلزله مورد نظر باید در جایی در سطح این کره قرار داشته باشد. اگر دو کره ‏را بر اساس ‏اطلاعات به دست آمده از دو زلزله نگار مختلف رسم کنید، از تقاطع دو ‏کره یک دایره به دست می آید.‏

از آنجایی که کانون زلزله باید در سطح هر دو کره قرار گرفته باشد، محیط دایره ای ‏که از تقاطع دو کره ‏به دست می آید، نشان دهنده تمام کانون های ممکن برای ‏زلزله مورد نظر است. از تقاطع کره سوم با این ‏دایره فقط دو نقطه حاصل می شود ‏که نشان دهنده کانون های محتمل برای زلزله است. از این دو نقطه یکی ‏در ‏سطح زمین قرار دارد و دیگری در هوا. با توجه به آنکه کانون زلزله همیشه در ‏سطح زمین قرار دارد، ‏نقطه موجود در هوا کنار گذاشته شده و نقطه موجود در ‏سطح زمین نشان دهنده مکان واقعی کانون زلزله ‏است

مقدمه

آکوستیک به معنی وسیع کلمه تولید ، تراگسیل و دریافت انرژی بصورت ارتعاش در ماده است. اگر اتمها و مولکولهای شاره یا جامد از اوضاع طبیعی خود تغییر مکان یابند، نیروی الاستیک در آن پدید می‌گردد، که مربوط به سختی جسم است و می‌خواهد جسم را به حالت نخست باز گرداند. این را نیروی برگرداننده گویند. تأثیر این نیروی الاستیک برگرداننده توأم با خاصیت اینرسی دستگاه ، ماده را برای ارتعاشهای نوسانی و در نتیجه تراگسیل موجهای آکوستیکی قابل می‌سازد.

امواج صوتی امواج مادی بوده که هم طولی و هم عرضی می‌تواند باشد. در شاره ها بصورت طولی است و در محیطهای دیگر هم بصورت طولی و هم بصورت عرضی است. یعنی فرضا اگر صوت وارد یک ماده جامد شود، به موج طولی و عرضی با سرعتهای متفاوت تجزیه می‌شود.







برای تولید و انتشارات امواج آکوستیکی ، ارتعاشهایی را که سبب تولید و انتقال موجهای آکوستیکی می‌شوند بر حسب حدود فرکانسشان به سه دسته تقسیم می‌شوند: ارتعاشهای صوتی که در ایجاد صدا موثرند و با گوش شنیده می‌شوند. حدود فرکانس ارتعاشهایی از این نوع که در ایجاد صدا موثرند و با گوش شنیده می‌شوند، بین 20 الی 15000 سیکل بر ثانیه می‌باشد. ارتعاشهای فراصوتی از فرکانسهای 15000 سیکل بر ثانیه به بالا و ارتعاشهای فرو صوتی ، از فرکانسهای 20 سیکل بر ثانیه به پایین. لازم به ذکر است مدهای ارتعاشی خود نیز انواع گوناگونی دارند.

اموج صوتی در آب

بکار بردن امواج صوتی درون آب برای تراگسیل اطلاعات مورد علاقه دریانوردان می‌باشد. یکی از نخستین کاربردهای آنها نصب زنگهایی درون آب و اتصال آنها به کشتیهای فانوسدار بوده است. صوت درون آب که بوسیله این زنگها تولید می‌شد تا فاصله زیادی در آب تراگسیلیده می‌شد و از اینرو ممکن بود که بوسیله گیرنده هیدروفونی که در بدنه کشتی دیگری تعبیه شده به وجود آنها پی برده و آشکارسازی کرد.

حال اگر دو دستگاه گیرنده در جهت مخالف یکدیگر نصب شده باشند و یکی از آنها را به گوش راست و دیگری را به گوش چپ متصل سازند ممکن خواهد بود که در اثر خاصیت تشخیص امتداد بوسیله دو گوش محل تقریبی کشتی فانوسدار را پیدا کرد. این اسباب بسیار ساده برای دوری از خطرهای دریایی در مواقعی که شرایط دید واضح در دریا موجود نبوده بسیار با ارزش بوده است.

اختراعات و ابزار

در سال 1912 فسفون نوعی منبع صوتی الکترودینامیکی زیر آبی ساخت که در فرکانسهای میان 500 تا 1000 سیکل بر ثانیه کار می‌کرد. با تکمیل تراگذارهای گیرنده و فرستنده ، از آنها برای تعیین ژرفای آبها به کمک اندازه گیری زمان برگشت صوت از کف اقیانوس بکار می‌برند. یکی از نتایج این پشرفت ساخت دستگاه فراصوتی نوینی به نام ژرفاسنج است. این دستگاه تپهای صوتی کوتاهی تولید می‌کند و بسوی کف دریا می‌فرستد و زمان رفت و برگشت آنرا اندازه گیرد. این اندازه گیری که بر روی نوار کاغذ متحرک ثبت می‌گردد ژرفا را نشان می‌دهد.

با تکمیل انواع مختلف تراگذارها ، از جمله تراگذار "چراغ قوه‌ای" ، استفاده از توانایی آنها برای تراگسیل فرکانسهای فراصوتی که طول موجشان در آب نسبت به ابعاد جانبی سطح تابنده تراگذار کوچک است، ممکن گردید. پرتوهای صوتی را بصورت تابه باریکی تهیه کرده که مانند نور چراغ قوه بتوان آنها را در راستاهای گوناگون تابانید. اینگونه تراگذارها را نیز ممکن است به عنوان گیرنده در هیدروفنها بکار برد، از اینرو در بیشتر دستگاهها یک تراگذار تنها برای هر دو مقصود نصب گردیده است. با دستگاهی از این گونه ، امکان دارد محل منعکس کننده صوت را که در حقیقت هدف است، با مشاهده راستایی که در آن راستای پژواک قویتر درست می‌شود تشخیص داد.

همچنین با اندازه گیری زمان برگشت تپ کوتاهی که ارسال شده بود و به شکل پژواک برگشته است فاصله آنرا تعیین کرد. تراگذارهای فراصوتی و همچنین هیدروفونهای صوتی و شبکه هیدروفونها را نیز برای گوش دادن به صوتهایی که از کشتیهای دور بر می‌خیزند بکار می‌برند. در زمان جنگ ، این گونه گوش دادنها بسیار سودمند است، زیرا به این ترتیب اگر نتوان فاصله کشتی یا زیر دریایی را تعیین کرد، ولی می‌توان دست کم بی آنکه حضور کشتی گوش دهنده آشکار گردد و حدودی را که در آن زیر دریایی با کشتی دیگر قرار گرفته معین کرد.







جالبترین پیشرفتها در ساختمان و کاربردها و نیز بزرگترین کوششهایی که در آکوستیک زیر آبی شده توام با مسائلی است که مربوطند به طریقه آشکاسازی محل ، تعیین مسیر و دسته بندی آنها در مورد کشتیهای جنگی روی آبی و زیر آبی است. معمولا به این قبیل اسبابها در این قسمت از آکوستیک نامهای عام می‌گذارند، مانند سونار که از حروف نخست عبارت: "Sound Navigation and Ranging" گرفته شده است.

در مورد این مسأله لازم دیده شده که که وسائل موثر نوینی برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی آکوستیکی زیر آبی که دارای توان و شدت زیاد باشد ساخته شود و نیز ضروری بود که بتواند با وجود نوفه‌های پوشاننده زمینه، سیگنالهای ضعیفی را که از راه می‌رسند آشکار و ضبط کند. مطالب دیگری که به همین اندازه مهمند عبارتند از مطالعه پدیده‌های اساسی مانند واگرایی ، جذب ، بازتاب ، شکست ، پاشندگی ، پراش و غیره که برای موجهای صوتی فرستاده شده در آب دریا پیدا می‌شود.

سرعت صوت در آب دریا

سرعت صوت در آب شیرین تابع دماست. دو عامل اضافی دیگر بر سرعت صوت در آب دریا تأثیر دارند و در آن عباتند از شوری آب و تغییرات فشار که بر حسب تغییر ژرفای آب پیدا می‌شود. هر کدام از این دو عامل موجب افزایش سرعت صوت هستند.

اتلاف صوت در تراگسیل از آب دریا

اگر آبهای اقیانوس بیکران و همگن می‌بودند فقط دو عامل واگرایی صوت سبب می‌گردیدند که هر اندازه از منبع صوت دور شویم تراز فشار تابع صوتی کاهش یابد.

پدیده‌های شکست

مهمترین پدیده‌ای که واگرایی ساده و انتشار مستقیم تابع صوتی در آب دریا را مختل می‌سازد پدیده شکست است که در اثر تغییر سرعت انتشار حاصل می‌گردد. عوامل موثر بر سرعت: دما - شوری - ژرفا. تغییرات شوری در نزدیکی دهانه رودخانه‌های بزرگ دارای اهمیت است، زیرا در آنجا مقدار زیادی آب شیرین وارد دریا می‌گردد، همچنین در نزدیکی جریانهای درون اقیانوس ، مانند گلف استریم و در مجاورت سطحی که باران و تبخیر حداکثر اثر خود را می‌بخشد. تغییرات سرعت بر حسب زیاد شدن ژرفا که بواسطه زیاد شدن فشار و در مجاورت سطحی که باران و تبخیر حداکثر اثر خود را می‌بخشد.

تغییرات سرعت بر حسب زیاد شدن ژرفا که بواسطه زیاد شدن فشار پیدا می‌شود کاملا منظم است. برای ژرفاهای کم ، زیاد نیست و اگر تغییرات دما زیاد باشد می‌توان آن را نادیده گرفت. تغییرات سرعت انتشار ، که در نتیجه تغییرات دما حاصل می‌گردد معمولا خیلی زیاد است. بویژه در نزدیکی سطح آب ، یعنی در محلی که عاملهایی چون فصول سال ، زمان روز یا شب ، ابری بودن هوا ، وجود سرعت با دو حالت دریا تمام اینها عاملهایی هستند که در تغییر دما موثر به شمار می‌روند. اثر شکستی که در نتیجه این پیدا می‌شود بر انتشار موجهای صوتی ، از بسیاری جهات مانند اثر هوای گرم شده بر انتشار پرتوهای نوری است.

کانالهای صوتی

نوعی شکست که توجه خاصی به آن مبذول می‌گردد در ژرفاهای زیاد پیدا می‌شود، یعنی جایی که دما بطور یکنواخت کاهش می‌یابد تا به c 4˚ برسد. در این ژرفا اوضاع فیزیکی در سراسر سال پایدار و یکنواخت باقی می‌مانند. در این ژرفا امواج حداقل سرعت را دارند، ولی سرعت در ژرفای کمتر بر اثر افزایش دما زیاد می‌شود و در ژرفای زیادتر نیز سرعت انتشار افزایش می‌یابد، زیرا فشار مایع در اینجا بیشتر است.

در نتیجه چنین اوضاعی است که همه پرتوهایی که ابتدا در ناحیه حداقل سرعت واقع بوده‌اند به شرطی که زاویه کوچکی با امتداد افقی بسازند خمیده می‌شوند و دوباره به همین ناحیه باز می‌گردند. یعنی به سوی سطح خارجی یا کف دریا متوجه نمی‌شوند و در این حال دالانی تشکیل می‌دهند که کانال صوتی ژرف نام دارد. موجهای صوتی که در این کانال انتشار می‌یابند مجبورند که در همین کانال باقی بمانند و در نتیجه به تندی موج منتشر در آبی که سرعت در همه نقاطش یکسان است وا نمی‌گردیدند.

کاربردهای دیگر آکوستیک زیر آبی

بسیاری کاربردهای نظامی و بازرگانی دیگر برای موجهای آکوستیکی زیر آبی پیدا شده‌اند. مثلا اژدرهای آکوستیک فعال و یا غیر فعال هر دو به نوعی طراحی شده‌اند که درست به کشتیها اصابت می‌کنند. مینهای آکوستیکی ممکن است بوسیله نوفه کشتیهای نزدیک تحریک شونده یا بوسیله منبع صوتی که باز داده‌ای معادل داشته باشد به حرکت در آید.

ژرفایابها را می‌توان برای تعیین ژرفای آب در زیر کشتی و یا برای تعیین محل اجتماع ماهیها بکار برد. سرانجام ، موجهای آکوستیکی را می‌توان وسیله‌ای برای تأمین ارتباط زیر آب بوسیله مکالمه دانست. در حالت اخیر به عنوان محیطی برای تراگسیل موجهای با فرکانس 8000 سیکل بر ثانیه بکار می‌رود، که بعدا این فرکانس به فرکانس قابل شنیدن تبدیل می‌شود. هر نوع دگر آهنگشتی را که در ارتباطات رادیویی بکار می‌رود می‌توان در اینجا بکار برد، از قبیل دگر آهنگش دامنه ، یا دگر آهنگش یک طرفه با حذف فرکانس ناقل ، دگر آهنگش فرکانس ، یا دگر آهنگش فاز و تعیین فاصله‌های زیادتر از 10 مایل و غیره.

تاریخچه

در اعصار آغازین دوران هوانوردی ابتدایی ، هواپیماها بیشتر با سرعتهای بسیار پایین نسبت به هواپیماهای امروزی پرواز می‌کردند که حتی به بیشتر از 300 کیلومتر در ساعت نمی‌رسید؛ در حالی که چنین سرعتی ، سرعت مطلوب برای تیک آف یا برخاست یک هواپیمای جنگنده امروزی است و رسیدن به چنین سرعتی ، ابداً مستلزم تلاش بسیار و فشار آوردن بیش از حد به موتور نمی‌باشد. اما رفته رفته ، سرعت هواپیماها حتی با موتورهای پیستونی گاها بالای 650 کیلومتر بر ساعت رسیده و از آن زمان بود که دانشمندان علوم آیرودینامیک دریافتند که با افزایش سرعت ، به تدریج میزان پسا افزایش پیدا کرده و در سرعت معینی ، دیگر هواپیما قادر به سرعت گرفتن نبوده گاه نیز استال می‌شوند.





در آن زمان ، علت این موضوع بدین گونه بیان شد که با افزایش سرعت ، به تدریج سرعت گردش انتها یا نوک پره‌های پروانه موتور ، به سرعت صوت نزدیک شده و سرانجام در حداکثر سرعت یک هواپیمای پیستونی که حدود 950 کیلومتر می‌باشد، سرعت انتهای پره‌ها از سرعت صوت گذشته و پسا یا درگ بسیاری ایجاد می‌شود که خود مانع سرعت گرفتن بیشتر هواپیماست. در چنین سرعتهایی ، پروانه موتور هواپیماهای پیستونی ، نه تنها تراست یا نیروی کشش تولید نمی‌کند، بلکه در اثر سرعت بسیار زیاد ، تبدیل به یک دیسک یا دایره توپر چرخنده می‌شود که جز ایجاد درگ و پسا ، کار دیگری انجام نمی‌دهد.

آیرودینامیستهای آن زمان این حد را یک محدوده سرعت یا همان دیوار صوتی در نظر گرفته و بسیاری از آنان نیز بر این عقیده بودند که گذشتن از دیوار صوتی و پشت سر گذاشتن آن ، کاری غیر ممکن است؛ اما با ورود به عصر جت و پیشرفت علم آیرودینامیک ، این کار برای جنگنده‌های امروزی کاری بس سهل و آسان است.

اولین بار خلبانی آمریکایی به نام چاک ییگر ، با انجام اصلاحاتی بر روی یک بمب افکن قدیمی آن را به چهار موتور موشکی مجهز کرده و بر فراز بیایانی در آمریکا ، پس از جدا شدن از هواپیمای مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانیه پرواز هواپیمای پرتقالی رنگ ملقب به X-1 به صورت گلاید، خلبان چهار موتور موشکی خود را روشن کرده و پس از چند لحظه صدایی رعد آسا در آسمان شنیده شد که همان نتیجه شکستن دیوار صوتی برای اولین بار در جهان بود. در این آزمایش ، این هواپیما به سرعت 16/1 ماخ دست یافت، و با ورود به عصر جت ، رویای شکستن دیوار صوتی و پا گذاشتن به سرعت صوت نیز به واقعیتی بسیار قابل لمس مبدل گشت.

خصوصیات صوت و دیوار صوتی

خصوصیات صوت و دیوار صوتی چیست و چرا گذر از آن نیازمند قدرت و کشش و توانایی زیادی است. صوت ، در شرایط عادی (دما ، فشار و ... معمولی) در سطح دریا دارای سرعتی معادل 332 متر بر ثانیه یا 1,195 کیلومتر بر ساعت می‌باشد که این سرعت ، با افزایش ارتفاع و کاهش فشار و تراکم هوا ، کاهش یافته و در ارتفاعات بالاتر ، صوت فواصل را با سرعت کمتری می‌پیماید. این مسئله بدین صورت است که صوت از طریق ضربات ملکولهای هوا به یکدیگر و انتقال انرژی آنها فضا را طی می‌کند و هر چه تعداد مولکولها در یک حجم معین بیشتر باشند، انتقال انرژی زودتر صورت پذیرفته و صوت با سرعت بیشتری انتقال می‌یابد؛ چنانکه سرعت صوت در مایعات بیشتر از هوا و در جامدات بسیار بیشتر از مایعات و هوا و معادل 6000 کیلومتر بر ساعت است.

پس در نتیجه افزایش ارتفاع ، تعداد ملکولها در یک حجم معین کاهش یافته و صوت با سرعت کمتری فضا را می‌پیماید. دیوار صوتی ، شیئی فیزیکی و قابل روئیت نیست؛ بلکه به دلیل اینکه گذشتن از سرعت صوت نیازمند توان بسیار بالای موتور و آیرودینامیک بسیار خوب می‌باشد، این حد را یک مانع برای رسیدن به سرعتهای بالاتر دانسته و از آن به نام دیوار صوتی یاد می‌کنند. عدد ماخ ، در حقیقت همان نسبت سرعت شیء پرنده یا همان هواپیما به سرعت صوت محیط است که به احترام دانشمندی آلمانی که برای اولین بار چنین مقیاسی را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ ، کمیتی متغیر است و بسته به خصوصیات هوا مانند دما و فشار ، تغییر کرده و کاهش یا افزایش می‌یابد.

عامل ایجاد دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای یا Shockwaves در حقیقت همان عامل اصلی ایجاد دیوار صوتی هستند. امواج ضربه‌ای ، تغییری ناگهانی در فشار و دمای یک لایه از هواست که می‌تواند به لایه‌های دیگر منتقل شده و به صورت یک موج فضا را بپیماید. برای درک بهتر مطلب ، وقتی که سنگی در آب انداخته می‌شود، موجهایی در آب بوجود می‌آیند که به سمت خارج در حال حرکتند. این امواج ، نتیجه افزایش سرعت یا اعمال نیرو به لایه‌ای از ملکولهای آب است که قادر به انتقال به لایه‌های دیگر نیز می‌باشد، و امواج ضربه‌ای نیز ، همان امواج درون آب هستند، با این تفاوت که آنها در سیالی دیگر به جای آب به نام هوا ، تشکیل می‌شوند.

در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، فرضیه غیر قابل تراکم بودن هوا رد شده و ضریب تراکم هوا به 16% در می‌رسد، که مقداری غیر قابل چشم پوشی است. در این سرعتها هوای جلوی بال یا لبه حمله به شدت متراکم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهی افزایش می‌یابد، همین مسأله ، یکی از عوامل ایجاد امواج ضربه‌ای است. هواپیما با حرکت خود در هوا ، نظم فشار هوای محیط را بر هم می‌زند و همانند قایقی که در آب در حال حرکت است، امواجی از آن ساطع شده و به دلیل اینکه این امواج با سرعت صوت حرکت می‌کنند و هواپیما زیر سرعت صوت در حال سیر است، از آن دور می‌شوند.

اما کم کم ، با نزدیک شدن به سرعتهای ترانسونیک و حدود سرعت صوت ، این امواج فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و در جلوی بال متراکم می‌شوند. در مناطقی از بدنه هواپیما که سطوح ناموزونی نسبت به جهت حرکت هواپیما دارد، سرعت گذر هوا افزایش یافته و بر اساس اصل برنولی ، با افزایش سرعت سیال ، فشار آن کاهش می‌یابد. در چنین سرعتهایی ، هوای اطراف این سطوح به سرعت صوت می‌رسد، گر چه هواپیما هنوز به سرعت صوت نرسیده باشد. در نتیجه رسیدن بعضی سطوح به سرعت صوت ، امواج ضربه‌ای تولید شده و درگ یا پسای فراوانی را قبل از رسیدن به سرعت صوت تولید می‌کنند، که همین مسأله گذر از دیوار صوتی را مشکل می‌نماید.

عدد ماخ بحرانی

به سرعتی که در آن حداقل یکی از سطوح هواپیما به سرعت صوت رسیده باشد، گر چه این پدیده در مورد خود هواپیما صادق نباشد، عدد ماخ بحرانی یا Critical Mach Number می‌گویند. عدد ماخ بحرانی را می‌توان به سرعتی که نمودار پسا در مقابل سرعت سیر صعودی می‌گیرد، نیز تعریف نمود. در این سرعت ، فرامین هواپیما کم کم شروع به درست جواب ندادن کرده و حالتی شبیه به کوبیدن بر روی بال توسط امواج ضربه‌ای بوجود می‌آید که با گذر از دیوار صوتی ، فرامین هواپیما به حالت طبیعی خود باز می‌گردند.

بنابراین ، در سرعتی که هواپیما به عدد ماخ بحرانی خویش می‌رسد، پسا به دلیل ایجاد امواج ضربه‌ای بطور قابل توجهی افزایش می‌یابد، پس ، باید تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحرانی هر چه بیشتر با بهبود ویژگیهای آیرودینامیکی افزایش یابد، چون اگر این اتفاق در سرعتهای پایین‌تر رخ دهد، هواپیما نیز باید از سرعت پایین‌تری جدال با افزایش پسا را شروع کند.

چرا با تولید امواج ضربه‌ای ، پسا افزایش می‌یابد؟

قانونی در مبحث دیوار صوتی بیان می‌کند که هر جریان هوایی که از یک موج ضربه‌ای بگذرد، موج ضربه‌ای انرژی جنشی سرعتی آن را گرفته و در خور تبدیل به گرما و افزایش فشار می‌کند، در نیتجه سرعت جریان هوای گذرنده از موج ضربه‌ای به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. با کاهش سرعت جریان هوا در جلوی بالها در سرعتهای نزدیک سرعت صوت ، تلاش پیشرانه یا موتورهای هواپیما باید چند برابر شود تا اثر کاهش سرعت در اثر موج ضربه‌ای را خنثی نماید. در صورتی که عدد ماخ بحرانی هواپیمایی پایین باشد، در سرعتهای پایین باید نیروی رانشی هواپیما چند برابر شود که مصرف سوخت فوق العاده‌ای را برای گذر از دیوار صوتی به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحرانی ، هواپیما فقط مدت کوتاهی نیازمند قدرت و کشش بسیار زیاد برای شکستن دیوار صوتی می‌باشد.

با اعمال نیروی فراوان رانشی ، سرانجام هواپیما بر مشکل پسای زیاد فائق آمده و از دیوار صوتی می‌گذرد. در نتیجه این عمل ، امواج تولید شده توسط هواپیما از آن جا مانده و پشت سر هواپیما حرکت می‌کنند. در این حالت ، وضعیت به حالت عادی بازگشته و پسای ایجاد شده به وضعیت نرمال باز می‌گردد. بعضی از هواپیماها از تمام نیروی پس سوزشان یا 100% قدرت موتور برای گذر از دیوار صوتی و یا سرعت 1,195 کیلومتر بر ساعت استفاده می‌کنند، در حالی که در سرعتهای بسیار بالاتر ، تنها از 30% قدرت موتور برای رانش به جلو بهره می‌جویند. با دقت در این مثال ، می‌توان به خوبی افزایش درگ و پسا و قدرت فروان لازم برای غلبه بر آن در سرعتهای نزدیک به سرعت صوت را درک و تجزیه و تحلیل نمود.

اثرات شکست دیوار صوتی

امواج ضربه‌ای توسط هواپیما در سرعت صوت ، بسیار قدرتمند می‌باشند، چنانکه در صورت پرواز هواپیما نزدیک به زمین و گذر آن از دیوار صوتی ، امواج ضربه‌ای با منتهای قدرت به اجسام زمینی مانند شیشه‌های منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شکستن آنها می‌شود، یا حتی اگر شخصی در معرض امواج ضربه‌ای بطور مستقیم قرار گیرد، احتمال از دست دادن شنوایی و پاره شدن پرده گوش بسیار است.

از امواج ضربه‌ای ، در بمبها و تسلیحات دیگر نیز استفاده می‌شود. بمبها با یک افزایش دما و فشار ناگهانی در لایه‌هایی از هوا ، امواج ضربه‌ای بوجود آورده که از طریق هوا انتقال یافته و باعث شکستن شیشه‌ها و تخریب دیوارها نیز می‌شود. اگر شخصی در فاصله‌ای نسبتاً نزدیک در فضایی تهی از هوا و خلاء ، حتی نزدیک یک بمب ده تنی ایستاده باشد، بر فرض منفجر کردن بمب ، آسیبی به وی نخواهد رسید، چون هوایی برای انتقال امواج ضربه‌ای وجود ندارد.

به دلیل تولید امواج ضربه‌ای در سرعتهای حدود سرعت صوت ، خلبانان سعی می‌کنند فقط مدت کوتاهی در چنین سرعتهایی ترانسونیک پرواز کرده و به زودی از دیوار صوتی گذر کنند، چون پرواز در این سرعتها نیروی بسیار زیاد موتور در نیتجه افزایش فوق العاده میزان مصرف سوخت را در پی دارد.

صدای انفجار

امواج حاصله از حرکت هواپیما یا صدای تولید شده در اثر حرکت ، هر بار در سرعتهای زیر سرعت صوت از هواپیما دور شده و به گوش شنونده می‌رسد. اما با رسیدن هواپیما به سرعت صوت، این صداها دیگر فرصت دور شدن از هواپیما را نداشته و کلاً در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. با گذر از سرعت صوت ، صدایی چند ده برابر شده از حرکت هواپیما باهم به گوش شنونده می‌رسد که مانند یک انفجار شدید یا صدای رعد و برقی بسیار قدرتمند می‌باشد. شاید در تصاویر هواپیماهای در حال گذر از دیوار صوتی ، هاله‌ای سفید رنگ را در اطراف هواپیما مشاهده کرده باشید. در هنگام گذر از دیوار صوتی ، اگر هواپیما نزدیک به زمین و در محیطی مرطوب با درصد بخار آب زیاد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه‌ای فشرده شده و ابر سفیدی را برای چند ثانیه پدید می‌آورند که همان هاله سفید رنگ قابل روئیت در تصاویر است. اما از امواج ضربه‌ای در موتورهای جت نیز استفاده می‌شود. بدین گونه که ، هوا ورودی در موتورهای جت ، حتی اگر هواپیما با سرعتهای بالای صوت پروزا نماید، باید زیر سرعت صوت باشد تا قابلیت احتراق را در موتور داشته باشد.

طراحی هواپیما

بنابراین ، اکثراً در ورودی موتورهای هواپیماهای جنگنده مخروطی را به شکل کامل یا نصف مانند هواپیماهای میگ 21 یا اف 104 ستارفایتر دیده می‌شود، که فلسفه ایجاد این مخروط تولید عمدی امواج ضربه‌ای است. در صورت تولید امواج ضربه‌ای ، هوای عبوری از میان آن با سرعت کاهش یافته یا زیر صوت وارد موتور می‌شود و فرآیند احتراق بطور کامل انجام می‌پذیرد. برای انجام پروازهای مافوق صوت ، اغلب هواپیماهای جنگنده از مقطع بالهای ویژه‌ای که عدد ماخ بحرانی را به حداکثر می‌رسانند، استفاده می‌نمایند و مقطع بالها معمولاً بسیار نازک و متقارن می‌باشد.

به عقب برگشتگی بالهای هواپیماهای مدرن نیز در نتیجه تلاش برای افزایش عدد ماخ بحرانی بوده ، چرا که آزمایشهای تونل باد نشان داده که با به عقب برگشتگی بالها به میزان چند درجه عدد ماخ بحرانی به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد، تا جایی که هواپیماهای مسافربری سریع السیر مانند بوئینگ 747 که در حدود سرعت صوت یا حدود 980 کیلومتر بر ساعت پرواز می‌کنند، نیز به بالهایی به عقب برگشته مجهزند.

در برخی از هواپیماها ، مانند هواپیمای اف 14 تامکت ، از سیستم بالهای متغیر استفاده شده که در این سیستم ، در سرعتهای پایین که از عدد ماخ بحرانی خبری نیست بالها گسترده می‌شوند و برای فراوانی تولید می‌کنند، ولی رفته رفته با نزدیک شدن به سرعت صوت ، کامپیوتر موجود در این سیستم خود زاویه لازم برای افزایش عدد ماخ بحرانی را محاسبه کرده و بال را متناسب با زوایه آن تغییر داده و به عقب بر می‌گرداند. این سیستم به دلیل هزینه‌های بالا و سنگینی بیش از حد آن ، دارای استفاده محدودی می‌باشد.

دسته بندی هواپیماها

هواپیماها کلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زیر تقسیم می‌شوند:

• هواپیماهای زیر سرعت صوت یا مادون صوت با محدوده سرعت 350 تا 950 کیلومتر بر ساعت ، Subsonic
• هواپیماهای حدود سرعت صوت با محدوده سرعت 950 تا 1200 کیلومتر بر ساعت ، Transonic
• هواپیماهای سرعت صوت با محدوده سرعت دقیقاً سرعت صوت نسبت به محیط ، Sonic
• هواپیماهای بالای سرعت صوت یا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت 1 ماخ تا 5 ماخ ، Supersonic
• هواپیماهای با سرعت بسیار بیشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت 5 ماخ و بالاتر ، Hypersonic

مقدمه

همه ما با صداهای بلند نظیر صدای قطار و رعد آسمان آشنا هستیم. وقتی این صداها را می‌شنویم در فکر آن نیستیم که چگونه این صداها به گوش ما می‌رسد در حالی که لازم است با کنجکاوی بیشتری در این مورد بیندیشیم. در این صورت ابتدا متوجه می‌شویم که صدا از ماده در حال ارتعاش ناشی می‌شود. ارتعاش چگونه صدا را بوجود می‌آورد؟ ارتعاش ماده امواجی تولید می‌کند که به صورت صوت به گوش ما می‌رسد. صوت عبارت است از امواجی فشاری که از طریق هوا از ماده مرتعش به گوش ما منتقل می‌شود.




اگر چه تقریبا تمام صداها از راه هوا به گوش ما می‌رسد اما ما زیر آب هم می‌توانیم صوت را بشنویم. حتی شما می‌توانید در طبقه پنجم ساختمان گوشتان را روی لوله شوفاژ بگذارید. صدای چکشی را که در زیر زمین به لوله می‌زنند بشنوید. علت شنیدن این است که علاوه بر مایعات و گازها. جامدات هم صوت را منتقل می‌کنند. آزمایشهای مختلف نشان داده است که مایعات بهتر از گازها و جامدات بهتر از مایعات صوت را منتقل می‌کنند. انتقال صوت خواه در جامدات و مایعات باشد و خواه در گازها ، مسلما واسطه‌ای لازم است تا آن را به گوش ما برساند. بهترین دلیل این آزمون خواهد بود که اگر زنگ اخباری را در خلا قرار دهیم و آن را به برق وصل کنیم صدایی از آن شنیده نمی‌شود. برخی مواد صوت را خوب منتقل نمی‌کنند، بنابراین برای کاهش صدا بکار می‌روند. نمونه این مواد خاک اره ، گل رس و بتونه است. در میان تمام صداهای مختلفی که شما هر روز می‌شنوید چندتایی وجود دارند که شما علاقه‌مند هستید جلوی آنها را با مواد ضد صوت بگیرید.

صداهای ناهنجار

بیشتر اصوات ناخوشایند جزو صداهای ناهنجار محسوب می‌شوند. صداهای ناهنجار صدایی است که از ارتعاشات نامنظم ماده حاصل می‌شود. تارهای ویلن ، گیتار ، پیانو ، سوراخهای فلوت ، شیپور و ساکسیفون ارتعاش ایجاد می‌کنند. اگر چه برخی سازها از قبیل طبل و قاشقک صدای تقریبا ناهنجار تولید می‌کنند، اما وقتی این صداها با موزیک همراه باشد به گوش خوشایند است. از سوی دیگر اگر ویلن را خارج از نت بنوازند ممکن است صدای ناهنجاری بدهد. موزیک با سه نوع ساز اصلی ایجاد می‌شود که عبارتند از: سازهای بادی ، زهی ، ضربی. وقتی به موزیک با صدای ناهنجار گوش می‌دهیم احساس می‌کنیم که برخی صداها از صداهای دیگر بلندتر است. بلندی ، شدت صوت است و قابل اندازه گیری است.

اندازه گیری بلندی صوت

واحد اندازه گیری بلندی صوت بل است که به افتخار الکساندر گراهام بل ، مخترع تلفن نامیده شده است. دسیبل یک دهم بل است. اگر آستانه شنوایی را صفر حساب کنیم صدای حرف در گوشی 20 دسیبل ، صدای اتومبیل 45 دسیبل ، مکالمه عادی 60 دسیبل و صدای رعد 110 دسیبل است. صدای بالاتر از 120 دسیبل به گوش صدمه می‌زند. وسایل اندازه گیری صوت ، توان امواج صوتی را با صفحات مدرج اندازه می‌گیرند. با اینکه بشر به تازگی فهمیده است که صوت امواجی است که از ماده مرتعش ناشی و از طریق واسطه منتقل می‌شود، اما بسیاری از حیوانات مدتهاست که از امواج صوتی برای احساس کردن وجود غذا در مکانی استفاده می‌کنند. صوت برای انسان وسیله ارتباط است و وقتی به صورت موزیک باشد لذتبخش است.

دیدکلی

گوش از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است. امواج صوتی مراحل مختلفی را درون گوش طی می‌کنند تا به اعصاب شنوایی تبدیل شوند. هر کدام از اجزای گوش درونی را این امواج تاثیر گذاشته (تقویت، جمع آوری ، تغییر فرکانس ، انتقال و...) و به اعصاب شنوایی می‌رسند. ساختمان گوش از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است.

گوش خارجی

گوش خارجی امواج صوتی را جمع آوری و متمرکز می‌سازد و از دو قسمت تشکیل شده است.

لاله گوش

لاله گوش در غالب حیوانات متحرک است، و برای جمع کردن و هدایت امواج صوتی و تشخیص جهت صدا بکار می‌رود، ممکن است به طرف منبع صورت متوجه شود. در انسان لاله گوش بی‌حرکت است ولی تا اندازه‌ای جهت صوت را می‌تواند تشخیص دهد.

مجرای گوش خارجی

مجرای گوش خارجی لوله‌ایست که تقریبا 2 تا 3 سانتیمتر طول دارد و در حدود یک سانتیمتر مکعب حجم دارد و به پرده صماخ ختم می‌شود. ارتعاشات صوتی تا قسمت انتهایی این لوله بوسیله هوا منتقل شده ، پس از آن بوسیله محیطهای جامد و مایع به گوش میانی انتشار می‌یابد.

پرده صماخ

پرده صماخ غشایی است که بوسیله اصوات با فرکانسهای مختلف مرتعش می‌شود. درجه کشش آن از محیط به طرف مرکز تدریجا زیاد شده و به همین علت است که هر قسمت از این پرده بوسیله فرکانس معینی مرتعش می‌شود.

گوش میانی

گوش میانی امواج را تقویت و منتقل می‌کند. گوش میانی در حفره استخوانی موسوم به صندوق تمپان (Caisse De Tympan) قرار دارد و بوسیله شیپور استاش (Trompand Eustache) به حلق می‌رسد. ارتعاشات هوا که از گوش خارجی به پرده صماخ می‌رسد بوسیله چهار استخوان کوچک که یکی پس از دیگری متکی بهم مفصل شده است، به گوش داخلی منتقل می‌گردد. این چهار استخوان بر حسب شکلی که دارند شامل چکشی ، سندانی ، عدسی و رکابی است. وظیفه آنها کم کردن دامنه ارتعاشات و در نتیجه افزایش تغییرات فشار است.

پنجره بیضی

استخوان چکشی به پرده صماخ و استخوان رکابی به پنجره بیضی (Ovale) ختم می‌شود که سطح آن 4 مرتبه از پرده صماخ کوچکتر است. چون سطح صماخ 14 مرتبه از سطح بیضی بزرگتر است لذا فشار در پنجره بیضی 14 مرتبه زیاد می‌گردد. این بهترین وسیله‌ای است که می‌توان انرژی ارتعاشی یک محیط با وزن مخصوص کم را (هوا) به محیطی با وزن مخصوص زیاد منتقل نمود.

پنجره گرد

در گوش میانی ، پنجره دیگری وجود دارد که به پنجره گرد (Round) مرسوم است. پنجره گرد و پنجره بیضی حد فاصل بین گوش داخلی و میانی است. پنجره بیضی ارتعاشاتی را که به پرده صماخ می‌رسد از طریق استخوانهای گوش میانی به گوش داخلی منتقل می‌کند و پنجره گرد سبب می‌شود مایع گوش داخلی که در محفظه غیر قابل ارتعاشی قرار دارد، بتواند مرتعش شود.

گوش داخلی

گوش داخلی امواج منتقل شده از گوش میانی را دریافت و آن را به امواج شنوایی تبدیل می‌کند. گوش داخلی اصلی‌ترین قسمت گوش است و از چندین قسمت تشکیل شده است.

• مجاری نیم حلقوی: در ساختمان گوش سه مجرای نیم حلقوی واقع شده است که برای حفظ تعادل بدن در فضا بکار می‌رود و در امر شنیدن تاثیر ندارد.
  
  
• کیسه اوتریکول و ساکول: مجاری نیم حلقوی بالای کیسه‌ای بنام اوتریکول قرار گرفته‌اند (Utricule) ، که بوسیله مجرایی به یک کیسه کوچکتر مرسوم به ساکول (Saccule) وصل می‌شود.

حلزون

در زیر مجاری نیم حلقوی ، حلزون (Limacon) قرار گرفته که حفره‌ای پیچیده به شکل حلزون است و بوسیله دریچه بیضی به گوش میانی مربوط می‌شود. تعداد حلقه‌های این مارپیچ 2.5 ، طولش 38 میلیمتر و قطر قاعده آن در حدود 3.3 میلیمتر است. حلزون از مایعی پر شده و بوسیله دو پنجره بوسیله غشای مسدود به صندوق تمپان ارتباط دارد. یکی پنجره بیضی که ارتعاشات را دریافت می‌کند و دیگری پنجره گرد بوده و عمل آن این است که به مایعی که در حلزون قرار دارد، امکان ارتعاش می‌دهد.

• مجرای حلزونی:در وسط حلزون مجرای حلزونی قرار دارد که به ساکول معروف است.
• غشا بازیلر:حفره حلزون بوسیله جدار طولی به نام غشا بازیلر به دو قسمت تقسیم می‌شود.

اندام کورتی

روی غشا بازیلر مجموعه‌ای مرسوم به اندام کورتی (Corti) یا عضو کورتی قرار گرفته است. تعداد اندام کورتی از قاعده حلزون به طرف راس آن بتدریج افزایش می‌یابد.

تونل کورتی

عضو کورتی از یک سلسله سلولهایی به شکل میله که راس آنها دو به دو و مجاور هم قرار دارد، تشکیل می‌شود. بدین طریق مجرایی با مقطع مثلثی شکل را محدود می‌سازد که به تونل کورتی معروف است.

شروع پیدایش حس شنوایی

یک سر میله روی غشا بازیلر تکیه داشته و سر دیگر آن آزاد است. لذا هر میله می‌تواند در داخل آندولنف (مایع مجرای حلزونی) حرکت آزاد داشته باشد. روی دو طرف تونل کورتی سلولهای مژه‌دار شنوایی قرار دارند که انشعابات نهایی عصب شنوایی به آنها منتهی می‌گردد، و می‌توان شروع حس شنوایی را از این ناحیه دانست.

شدت صوت مقدار انرژی صوتی است که در مدت یک ثانیه از واحد سطح عمود بر راستای انتشار امواج می‌گذرند.

دید کلی

امواج صوتی از نوع امواج مکانیکی هستند که در اثر ارتعاش اجسام کشسان تولید و در گازها ، مایعات و جامدات منتشر می‌شوند. احساس شنیدن صوت بوسیله گوش نه تنها یک امر فیزیکی است بلکه به علم زیست شناسی و حتی روانشناسی نیز مربوط است. تقریبا تمام صوتهای حاصل از اسباب موسیقی در اثر تشکیل موجهای ایستاده بوجود می‌آیند. منبع تولید صوت ممکن است یک جسم جامد باشد، مانند سیم باریکی که بین دو نقطه کشیده شده است یا ممکن است جرم معینی از هوا باشد، مانند صوت حاصل از ارتعاش هوای لوله‌های صوتی یا یک دیاپازون با ارتعاشات ساده باشد.

گوش انسان صوتهایی را می‌شنود که بسامد آنها بین 20 تا 20000 هرتز باشد. سرعت سیر صوت از سرعت نور به مراتب کمتر است و این امواج حامل انرژی مکانیکی هستند. بنابراین لازم است که بین منبع تولید صوت و گوش یک محیط کشسان وجود داشته باشد. شدت صوت کمیتی است که ارتباطی به حساسیت گوش ندارد در صورتی که بلندی صوت هم به انرژی صوتی و هم به حساسیت گوش بستگی دارد.

عوامل موثر بر شدت صوت

دامنه ارتعاش

موجها در (در سطح آب یا طناب) با خود انرژی حمل می‌کنند. این انرژی با مجذور دامنه و مجذور بسامد متناسب است E=1/2mw²A² ، از طرفی بنا به تعریف شدت صوت ، شدت صوت با انرژی رابطه مستقیم دارد لذا نتیجه می‌گیریم که شدت صوت با مجذور دامنه نسبت مستقیم دارد.

فاصله

هرچه از چشمه صوت دورتر می‌رویم صدا ضعیفتر می‌شود برای درک این موضوع چشمه صوت S را در نظر بگیرید که موجهای کروی در فضا ایجاد می‌کند. اگر از اتلاف انرژی صوتی در هوا صرفنظر کنید در واحد زمان انرژی p به سطح کره‌ای به مساحت 4πr² می‌رسد (r شعاع کره) در نتیجه شدت صوت به صورت I = p/4πr² است. این رابطه نشان می‌دهد که با دور شدن از چشمه S شدت صوت کاهش می‌یابد.

محیط انتشار

محیطی که صوت در آن منتشر می‌شود کم و بیش انرژی صوتی را جذب می‌کند، جذب انرژی صوتی در محیط بستگی به بسامد صوت دارد. مثلا در هوا هر چه بسامد صوت بیشتر باشد صوت بیشتر جذب می‌شود.

مجذور بسامد

بنا به رابطه E = 1/2mw²A² شدت صوت با مجذور بسامد نیز نسبت مستقیم دارد. ولی یک صوت با بسامد معین که در محیط معینی منتشر می‌شود می‌توان گفت که مؤثرترین عامل در شدت صوت مجذور دامنه است.

حساسیت گوش انسان

حساسیت گوش در ارتباط با بسامد است. بنابراین اصواتی که شدتشان یکسان ولی بسامدشان مختلف است معمولا با بلندی متفاوت احساس می‌شوند. آهسته‌ترین صدایی را که انسان می‌تواند بشنود آستانه شنوایی می‌نامند و بلندترین صدا (بیشینه شدت) که انسان می‌تواند بشنود بدون این که گوش او به درد درآید آستانه دردناکی می‌نامند. هر چه شدت صوت بیشتر باشد، مقدار انرژی ای که گوش دریافت می‌کند بیشتر است و انسان صدا را بلندتر احساس می‌کند. با این حال این به معنی آن نیست که بلندی صوت با شدت آن نسبت مستقیم دارد. پس اگر شدت صوت دو برابر شود بلندی صدایی که احساس می‌کنیم دو برابر نمی‌شود.

تراز شدت صوت

تراز شدت یک صوت عبارت است از لگاریتم (در پایه 10) نسبت شدت آن صوت به شدت صوت مبنا . تراز شدت صوت را با β نشان می‌دهند. و یکای آن را به افتخار بل فیزیکدان آمریکایی مخترع تلفن ، بل (b) و دسی بل (db) نامگذاری کرده‌اند.

در این فرمول I₀ شدت صوت مبنا که برابر با آستانه شنوایی گوش سالم و در بسامد 1000 هرتز در نظر گرفته می‌شود. I شدت صوت ، K مقداری است ثابت که اگر K=1 باشد واحد β (بل) است و اگر K=10 باشد β (برحسب دسی بل) است.

شدت صوت و تراز صوت برای برخی صوتها

صدا شدت صوت w/m2 تراز شدت صوت db شدت صوت مبنا 12-10 0 نفس کشیدن 11-10 10 برگ درختان در نسیم 10-10 20 صحبت کردن از فاصله یک متری 8-10 40 همهمه در فروشگاه 6-10 60 سر و صدای خودروها در خیابان شلوغ 5-10 70 آستانه دردناکی (برای بسامد 1000Hz) 1 120 مسلسل 10 130 غرش هواپیمای جت در حین بلند شدن 102 140 راکت فضایی ، در موقع بلند شدن 105 170

اطلاعات اولیه

عامل صدا ، انسان و سایر موجودات زنده را از بین نمی‌برد بلکه باعث ضعف شنوایی ، ناشنوایی و ناراحتی‌های عصبی می‌گردد. معمولا شدت صدا را با واحدی به نام دسی بل نشان می‌دهند برای سنجش صداها نسبت log آنرا تعین می‌کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که از دست دادن شنوایی با سن افراد در جوامع صنعتی دیده می‌شود.صدا‌های شدید کوتاه مدت در انسان باعث ناشنوایی موقت می‌شود.

اگر انسان در معرض صداهای بلند ، برای مدت طولانی تری قرار گیرد ناشنوایی دائم پیش می‌آید. صدایی برابر 90 دسی‌بل روی سیستم عصبی تاثیر می‌گذارد. در ممالک پیشرفته قدرت شنوایی زنان بهتر از مردان است. زیرا از نظر مشاغل صداهای کمتری را تحمل می‌کنند. آلودگی‌های صوتی که در اطراف مناطق مسکونی موجب ناراحتی می‌گردند عبارتند از :

• کارخانجات
• کار‌های ساختمانی
• صدا‌های ناشی از سیستم تهویه منازل
• صدای ناشی از حمل و نقل (صدای موتور هواپیما ، بوغ اتومبیل). (سر و صدای داخل منازل مثل صدای تلوزیون و جاروبرقی و. نیز حایز اهمیت اند.)

اثرات آلودگی صوتی

آزمایشات نشان می‌دهند که صدای به شدت 160-150 دسی‌بل برای بعضی حیوانات کشنده و مرگبار است. این حیوانات قبل از مرگ به تشنجات موضعی ، فلج و رعشه دچار می‌گردند. در انسانها رنگ‌پریدگی و بالارفتن فشارخون از اثرات آلودگیهای صوتی است. درجه حرارت بدن نیز کاهش می‌یابد. صدا‌های مداوم عکس العملهایی را در بدن ایجاد می‌نماید. از جمله انقباض رگها بیشتر می‌گردد است. درجه حرارت بدن نیز کاهش می‌یابد. صدا‌های مداوم عکس‌العملهایی را در بدن ایجاد می‌نماید از جمله انقباض رگها بیشتر می‌گردد و این حالت پس از قطع صدا هنوز ادامه می‌یابد. بدن انسان در خواب نیز یه محرکهای صوتی پاسخ می‌دهد بدون اینکه فرد از خواب بیدار شود. (ضربان قلب و حالات ماهیچه‌ها تغییر می‌کند.)

بیماری رینا Rahnauld

بررسی‌ها نشان می‌دهد که کارگران کارخانجات چوب بری که با اره کار می‌کنند و صدای 125 دسی بل را تحمل می‌نمایند شبها وقتی به خانه برمی‌گردند انگشتان آنها سبز رنگ بعد سفید می‌گردد که علائم بیماری وازواسپاستیک می‌باشد که در نتیجه انقباض رگها و نارسایی در جریان خون عارض می‌گردد. که این ناراحتی به نام بیماری رینال یا انگشتان مرده معروف است.

نتایج حاصل از آزمایشات روی حیوانات

1. موشهای آزمایشگاهی که در معرض صدای شدید قرار می‌گیرند به بیماریهای ویروسی حساستر می‌گردند.
2. صدای فوقالعاده شدید در فعالیتها و عملکرد کبد حیوانات تغیر ایجاد می‌کند.
3. صدای بلند بیش از 115 دسی‌بل باشد فساد دندانهای موشها را سبب می‌گردد.
4. کلسترول و چربی خون نیز افزایش می‌یابد. مقدار اسیاسکوربیک کاهش و مقدار گلبولهای سفید تا %50 تقلیل می‌یابد.

تاثیر صدا به چه عواملی بستگی دارد؟

1. طبیعت و شدت صدا
2. نزدیکی شخص به منبع اصلی صدا
3. ادامه و مداومت صدا
4. وضع و موقعیت فیزیکی فرد

روشهای جلوگیری از آلودگی‌های صوتی

با توجه به اینکه معمولا صدا‌ها از تولید کننده‌ای پخش ، توسط گیرنده‌ای دریافت می‌شوند بنابراین جهت کنترل این آلودگی ، کاهش شدت صدا جلوگیری از انتشار و نفوذ صدا و محافظت از گیرنده (سیستم شنوایی) می‌تواند موثر باشد. بنابراین در جهت جلوگیری ار آلودگی شدید صوتی :

1. میزان صدا در محیطهایی که کارگران بطور مداوم در معرض فعالیتهای مغزی قرار دارند نباید از 10 دسی‌بل تجاوز نماید.
2. سعی شود از ورود ماشین آلات که بیش از حد معین آلودگی صوتی تولید می‌کنند جلوگیری شود.
3. صدای ماشین‌آلات کارخانه‌ها نباید به بیرون ازکارخانه‌ها برسد.

‌#منشا آلودگی صوتی را باید از بین برد.

1. سعی شود از ایجاد واحدهای مسکونی در مجاورت فرودگاهها جلوگیری شود.
2. ضد صدا کردن ساختمانها و واحدهای مسکونی.
3. مضاعف یا دو لایه کردن شیشه پنجره‌ها در جهت جلوگیری از نفوذ صدای بیرون به داخل ساختمان.
4. محدود و ممنوع کردن عبور کامیونها و وسائط نقلیه پر صدا.
5. ایجاد نوارهای عریضی از درختان و پوششهای گیاهی که به میزان 10 دسی‌بل از شدت صوت می‌کاهد.

شدت صوت

احساس بلندی و کوتاهی صدا مربوط به انرژی حمل شده با امواج صوتی است و بر حسب واحد دسی بل می‌باشد که یک واحد مقایسه‌ای است و عبارت است از ده برابر log نسبت شدت صدای مورد نظر «I» به شدت یک سطح مقایسه‌ای (₀I)= بطور قراردادی صدایی است که دارای 0002/0 میکرو بار فشار بوده و به عنوان آستانه شنوایی در انسان در نظر گرفته می‌شود.

بنابراین 10 برابر افزایش در شدت یک صدای خالص فقط 10 دسی بل به مقیاس شدت اضافه می‌کند یا اینکه می‌توان گفت مثلا صدای 50 دسی‌بل 10 برابر بلندتر از صدای 40 دسی‌بل و 100 برابر بلندتر از صدای 30 دسی‌بل است. فرکانس شنوایی انسان بین20000 - 20 سیکل در ثانیه یا معادل شدت صوتی برابر با 120 - 0 دسی بل است. صحبتهای معمولی در فرکانس بین 10000-250 سیکل در ثانیه انجم می‌شود که دارای شدتی برابر با 60 - 30 دسی بل می‌باشد. ترافیک سبک در 30متری دارای شدت صدای 55 دسی بل می‌باشد و عدد برق 120 دسی بل صدا ایجاد می‌نماید.
استانداردهای صدا در هوای آزاد ایران از 7 صبح تا 10 شب و از 10 شب تا 7 صبح به قرار زیر است.

	7صبح تا 10 شب	10شب تا 7 صبح
منطقه مسکونی	50dB	30dB
منطقه تجاری	65	55
منطقه تجاری مسکونی	60	50
منطقه مسکونی صنعتی	70	60
منطقه صنعتی	75	65

پیامدهای منفی و زیانبار ناشی از آلودگی صوتی بطور کلی در انسانها به قرار زیر است:

1. نگرانی و ناراحتی عصبی
2. نگرانی همراه با خستگی و کاهش راندمان کار
3. دگرگونیهای دائم یا موقت در رفتار زیستی از قبیل انقباض نایژکها و تغییر ضربان قلب
4. ضایعه در دستگاه شنوایی و دیگر دستگاهای بدن.

دید کلی

• تصور شما از موج صوتی چیست؟
• چرا وقتی به یک شی ضربه می‌زنیم صدا تولید می‌شود؟
• فکر می‌کنید که صوت می‌تواند در خلا منتشر شود؟
• پدیده‌هایی مانند تداخل ، انعکاس و ... در مورد صوت چگونه بررسی می‌گردند؟
• امواج صوتی جزو کدام گروه از امواج عرضی یا طولی است؟
  
  هوا دارای خاصیت ارتجاعی می‌باشد هنگامی که یک لایه از مولکولهای هوا به جلو رانده می‌شود، این لایه به نوبه خود لایه دیگری را به جلو می‌راند و خود به حال اول بر می‌گردد. لایه جدیدی نیز لایه دیگری را به جلو می‌راند و به همین ترتیب این عمل بارها و بارها تکرار می‌گردد تا انرژی به پایان برسد. این جابجایی مولکولها اگر بیش از 16 مرتبه در ثانیه تکرار می‌گردد صدا بوجود می‌آید. هر رفت و برگشت لایه هوا یک سیکل نام دارد و تعداد سیکل در ثانیه تواتر یا بسامد یا فرکانس نامیده می‌شود.

موج صوتی چیست؟

امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج می‌توانند در جامدات ، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده این فیزیک امواج ، در راستای انتشار موج نوسان می‌کنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گستره وسیعی از بسامدها به وجود می‌آیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواج صوتی در محدوده‌ای قرار گرفته‌اند که می‌توانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند.

این محدوده تقریبا از 20 هرتز تا حدود 20000 هرتز است و گستره شنیده شدنی نامیده می‌شود. فیزیک امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی ، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد ، امواج فراصوتی گویند.

تولید صوت

خاصیت ارتجاعی هوا

هوا نیز دارای همین خاصیت ارتجاعی است، منتهی به مراتب بیشتر از لاستیک. هر رقت و تراکم مولکولی در هوا موجب رقت و تراکمهای دیگر می‌گردد. بدین معنی که ، هنگامی که یک لایه از مولکولهای هوا به جلو رانده می‌شود این لایه به نوبه خود لایه دیگری را به جلو می‌راند و خود به حال اول بر می‌گردد. لایه جدیدی نیز لایه دیگری را ، و به همین ترتیب این عمل بارها و بارها تکرار می‌گردد تا انرژی به پایان برسد. این جابجایی مولکولها اگر بیش از 16مرتبه در ثانیه تکرار گردد صدا بوجود می‌آید.

اگر کتابی را از ارتفاع معینی به طرف زمین رها کنیم بر اثر سقوط کتاب ، فشار هوای بین کتاب و زمین زیاد می‌شود و این فشار ، مولکولهای هوا را به اطراف می‌راند. مولکولهای رانده شده به نوبت مولکولهای مجاور خود را به جلو رانده و خود به حالت اول بر می‌گردند. این عمل آنقدر تکرار می‌شود تا انرژی حاصل از سقوط کتاب به پایان برسد. هنگام تماس کتاب با زمین صدایی به گوش می‌رسد، در صورتی که در اثنای سقوط آن صدایی شنیده نمی‌شود.

علت این است که هنگام تماس کتاب با زمین ، بر اثر زیاد بودن مقدار انرژی جابجا شدن مولکولها یا همان رقت و تراکم هوا خیلی بیشتر از 16 مرتبه در ثاینه است و به این علت صدای حاصله قابل شنیدن می‌باشد. هر رقت و تراکم یک سیکل نام دارد و تعداد سیکل در ثانیه تواتر یا بسامد نامیده می‌شود. بنابراین ، وقتی می‌گوییم فرکانس (تواتر) موج مثلا 500 سیکل است، یعنی 500 مرتبه رقت و تراکم در مولکولهای هوا ایجاد شده است. هر قدر بسامد بیشتر باشد صدا به اصطلاح زیرتر است و نیز قدر بسامد کمتر باشد صدا اصطلاحا بمتر است.

چشمه فیزیک امواج فروصوتی و فراصوتی

فیزیک امواج فروصوتی که با آنها سروکار داریم معمولا توسط چشمه‌های بزرگ تولید می‌شوند. امواج زمین لرزه‌ای از آن جمله‌اند. بسامدهای بالای مربوط به فیزیک امواج فراصوتی را می‌توان به وسیله ارتعاشات کشسان یک بلور کوارتز که بر اثر تشدید با یک میدان الکتریکی متناوب در بلور القا شده است ، ایجاد کرد. به این طریق می‌توان بسامدهای فراصوتی به بزرگی 6x10⁸ هرتز تولید کرد. طول موج متناظر با این بسامد در هوا در حدود 5x10^-5 سانتی‌متر است که همان حدود طول موج نور مرئی است.

مشخصات فیزیکی

جابجایی یا ارتعاش مولکولهای هوا در تمام جهات صورت می‌گیرد و بسته به مقدار انرژی موجود ، هر لایه از مولکولها مسافتی را طی می‌کنند. به سخن دیگر هر چه انری بیشتر باشد مسافتی را که موج می‌پیماید بیشتر است. طول مسافتی را که هر طبقه از مولکولهای هوا طی نموده و دوباره به جای اولیه خود بر می‌گردد دامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زیادتر باشد صدا بلندتر است. بلندی صدا را با زیر و بمی آن نباید اشتباه کرد، زیرا بلندی صدا مربوط به تعداد ارتعاش در ثانیه است.

بنابراین صدای ممکن است بم ولی بلند باشد. بالعکس صدای دیگری ممکن است زیر ولی کوتاه باشد. اگر امواج صوتی در مسیر حرکت خود به جسمی از قبیل پرده گوش برخورد کنند و آن را به همان اندازه مرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسیله اندامهای گوش داخلی به مراکز اعصاب شنوایی منتقل گشته و در نتیجه صدا شنیده می‌شود و عکس العمل لازم صادر می‌شود.

چشمه فیزیک امواج شنیده شدنی

فیزیک امواج شنیده شدنی در تارهای مرتعش (بلندگو ، طبل) ایجاد می‌شوند. همه این عناصر مرتعش به تناوب هوای پیرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت به طرف عقب ، رقیق می‌کنند. هوا این آشفتگیها را بصورت موج از چشمه به خارج انتقال می‌دهد. این فیزیک امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را بوجود می‌آورند. موجهایی که تقریبا متناوب هستند و یا تعداد کمی از مؤلفه‌های تقریبی متناوب را شامل می‌شوند، احساس خوشایندی بوجود می‌آورند (اگر شدت خیلی زیاد نباشد) اصوات موسیقی از این جمله‌اند. صوتی که شکل موج آن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنیده می شود. نوفه را می‌توان برهمنهشی از امواج متناوب دانست که در آن تعداد مؤلفه‌ها خیلی زیاد است.

یک آزمایش ساده

دو سر یک سیم فولادی به طول یک متر و به قطر یک میلیمتر را که کشیده شده و بوسیله دو قطعه سنگ یا آهن محکم شده است ، در نظر می‌گیریم. حال اگر وسط سیم را به کناری کشیده و رها کنیم صدایی شنیده نمی‌شود، در صورتی که ارتعاش آن کاملا به چشم دیده می‌شود. ولی اگر یک طرف سیم را به کنار یک لنگه در تخته‌ای متصل کنیم و آزمایش را دوباره انجام دهیم، صدای آن کاملا شنیده می‌شود، با وجود آنکه ارتعاش آن مشهود نیست. علت این امر آن است که در دفعه اول هوای مجاور سیم بجای اینکه تراکم و انبساط پیدا کند، روی سیم لغزیده است و در مرتبه دوم هوای مجاور لنگه در ، مجال لغزیدن و رسیدن به کنار آن را قبل از تجدید ارتعاش نداشته است.

امواج صوتی در جامدات و مایعات

همانطور که درون هوا ارتعاشات طولی توام با تراکم و انبساط منتشر می‌شود، به همان طریق نیز ارتعاشات طولی توأم با تراکم و انبساط در داخل مایعات و جامدات انتشار پیدا می‌کنند. اگر میله فلزی را برای لحظه کوتاهی در امتداد خودش کشیده و رها کنیم ، تراکم و انبساط در طول میله انتشار پیدا خواهد کرد و همین طور اگر نقطه‌ای از جسم جامد را مرتعش سازیم (به عنوان مثال با چکش به گوشه یک قطعه سنگ یا فلز بزنیم) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروی در تمام جسم مرتعش منتشر می‌شوند.

مخصوصا نباید چنان کرد که انتشار تراکم و انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنیدنی است، بلکه هر نوع ارتعاش با هر فرکانس ممکن است در آنها انتشار یابد. تنها فرقی که جامدات و مایعات در انتقال صوت با هوا و گاز دارند در زیاد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.

مشاهدات تجربی

• چیزی که در موقع انتشار صوت در هوا انتقال می‌یابد، هوا نیست. به دلیل اینکه صدای هواپیما از ابر و دود غلیظ عبور کرده و به ما می‌رسد. بدون آنکه ابر را پراکنده ساخته و با خود به طرف ما بیاورد.
  
  
• هوا در حین انتشار صوت جلو و عقب می‌رود. یعنی مرتعش می‌شود. برای مشاهده این امر کافی است یک قطعه فیلم عکاسی را بین دو انگشت گرفته و در مقابل آن با آواز بلند بخوانیم، در اینصورت حرکت رفت و آمد تند فیلم را به خوبی در محل اتصال انگشتان خود با فیلم حس می‌نماییم.
  
  
• عبور فیزیک امواج صوتی در هوا با کم و زیاد شدن فشار (انبساط و تراکم) همراه می‌باشد. در جدار لوله صوتی سوراخی درست کرده و سپس ورقه نازک کاغذی روی آن می‌چسبانیم و از خارج به این کاغذ پاندول سبک ساده از چوب آقطی آویزان نموده و لوله را بطور افقی نگاه به بالا و پایین رفتن می‌کند. اگر تنها هوا حرکت می‌کرد و اختلاف فشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمی‌کرد زیرا حرکت ارتعاشی هوای درون لوله موازی با سطح کاغذ بوده و ممکن نبود که تولید حرکت متناوب در ورقه کاغذ بنماید.
  
  
• در نتیجه وجود همین انبساط و تراکم ، در فیزیک امواج صوتی ، اختلاف چگالی متناوب پیدا می شود. زیرا اگر تغییر فشار را در فیزیک امواج صوتی قبول کنیم لازم است که تغییر چگالی در آنها رانیز قبول کنیم. به کمک چندین پاندول که در طول لوله صوتی افقی بطریق فوق آویزان کرده‌ایم می‌توانیم ثابت کنیم که هنگام ایجاد صوت در لوله ، پاندولی که نزدیکتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهای دیگر به ارتعاش در می‌آید.
  
  پس وقتی قسمتی از هوای درون لوله در داخل آن به سمت انتهای آن حرکت کرده و قسمت دیگری از هوای درون لوله ساکن است، ناچار چگالی قسمتی که بین این دو قسمت متحرک و ساکن قرار دارد ، تغییر کرده است. موضوع وجود اختلاف چگالی در هوای مرتعش عملا به تحقیق رسیده است و از تغییر چگالی هوا در موقع ارتعاش که باعث تغییر ضریب شکست می‌شود، استفاده کرد. و فیزیک امواج صوتی را به کمک جرقه الکتریکی عکسبرداری نموده‌اند.

( موج صوتی ) acoustic wave

ریشه لغوی:

صوت ریشه در کلمه یونانی فون به معنی ارتعاش دارد .

تئوری و نحوه تولید :

وقتی کسی صحبت می کند هوای داخل ششها از میان دو پرده نازک در نای به تمام تارهای صوتی عبور می کند این دو پرده نازک که مرتعش شده و هوا را جبهه جبهه ( کپه کپه )‌به بیرون می فرستد. در هر ثانیه صدها و گاهی اوقات هزاران جبهه هوا ساخته می شود بطوریکه هوا بین گلو و دهان با مکانیزم لوله ها ی صوتی مرتعش می شود این ارتعش تحت تاثیر چگونگی قرار گرفتن زبان ـ دندانها ـ لب و سایر عوامل قرارمی گیرد .این هوای مرتعش باعث تغییرات جزئی در اطراف شخص صحبت کننده می شود که به آن صوت می گوییم .

آزمایش ساده :

یک پر خیلی کوچک را با نخ ابریشمی آویزان کنید و در مقابل دهان خود قراردهید دقت کنید که در موقع صحبت چگونه پر هماهنگ با کلمات مخصوصاً برای کلماتی با تغییرات آوایی بیشتر مانند ‹‹پوپک›› حرکت می کنند .
البته برای تغییرات فشاری بزرک حرکت می کند اغلب تغییرات چنان سریع و پیچیده هستند که پر نمی تواند هماهنگ با آن حرکت نماید .

تعمیم پدیده :

بهترین روش نمایش ارتعاشات با تغییرات سریع استفاده از دستگاه ‹‹ نوسان نما ›› یا اسیلوسکوپ که شبیه یک تلویزیون هست ، می باشد .

آناتومی گوش :

در داخل گوش انسان پرده گوش قراردارد که شبیه یک پوسته پهن در سطح گوش هست این پرده هماهنگ با تغییرات سریع فشار داخل هوا که صوت نام دارد نوسان می کند و یک اندام پیچیده شنوایی در پشت پرده گوشی پیام را به مغز می رساند . و در آنجا تغییر فشار به توسط پرده گوش با انتقال به مغز و تبدیل آن به پالس های الکتریکی در مغز مورد ترجمه و استفاده قرارمی گیرد .

نگاه اجمالی

کسی که از مباحث علم فیزیک اطلاع داشته باشد، می‌داند که موضوع ارتعاش و موج در اغلب مباحث فیزیک و مکانیک یا بطور مستقیم وارد است یا وسیله و ابزاری برای استدلال و فهم موضوعات دیگر است. اگر گفته شود که: بدون اطلاع از خواص ارتعاشات تحصیل علم فیزیک و مکانیک کلاسیک غیر ممکن است شاید سخنی به اغراق گفته نشده است. اما موضوع ارتعاشات و فیزیک امواج مخصوص نور و صوت اهمیت اساسی دارند، زیرا در حقیقت موضوع قسمتهای عمده و مختلف این دو علم جستجو در خواص ارتعاش و موج چیز دیگری نیستند.

تاریخچه

زندگی پر از صداست و ما همیشه طالب شنیدن صداهای خوش و حیاتی هستیم و از صداهای نامطبوع و خطرناک گریزانیم. بطور کلی باید گفت که هر چه پیش می‌رویم، بشر نسبت به حس شنوایی بیشتر توجه پیدا می‌کند. پیشرفت روز افزون صنایع صوت از قبیل: تلفن ، رادیو ، فونوگراف ، ضبط صوت روی فیلم و تهیه فیلمهای صدا دار و غیره خود می‌تواند بر این موضوع دلیلی مسلم باشد. از نظر اهمیتی که آکوستیک یا علم صدا دارا می‌باشد می‌توان انتظار داشت که این موضوع در تاریخ علوم فیزیک جزء مطالب اساسی به شمار رفته باشد، در صورتی که چنین چیزی نیست، زیرا در قبال تاریخ سایر علوم ، تاریخ آکوستیک قسمت از قلم افتاده و مهجوری بیش نیست. یکی از دلایل این مهجوریت تاریخی این است که نظریه اساسی اصلی راجع به انتشار و اخذ صوت از زمانهای بسیار قدیم در تحولات فکر بشری پیدا شده و اسلوب این فکر همان است که امروزه مورد قبول ماست. قسمتهای عمده علم آکوستیک عبارتند از:

تولید صوت

وقتی که به یک جسم جامد ضربه وارد می‌سازیم، تولید صدا می‌کند. تحت بعضی از شرایط صدای حاصل ، بگوش انسان خوش آیند و مطبوع است و این در واقع اساس پیدایش علم موسیقی است که سالیان دراز قبل از تاریخ ضبط صوت ، موجود بوده است، اما موسیقی ، قرنها قبل از نظر علمی مورد تحقیق قرار گرفته ، جزء صنایع ظریفه محسوب می‌گردید. این مطلب مورد قبول عموم است که اولین فیلسوف یونانی که مبنای موسیقی را برسی نموده است فیثاغورث می‌باشد که 6 قرن قبل از میلاد زندگی می‌کرده است.

انتشار صوت

از مشاهداتی که در قدیم الایام شد و بدست ما رسیده ، معلوم می‌شود که صوت بوسیله آزمایشهای مربوط به هوا از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌گردد. در حقیقت ارسطو اصرار داشت که حرکت آزمایشهای مربوط به هوا در نقل و انتقالات صوت موثر است، ولی این موضوع مانند سایر مطالبی که در فیزیک بیان نموده است همراه با ابهام است. چون در موقع انتقال صوت ، آزمایشهای مربوط به هوا حرکتی نمی‌کند، بنابراین جای تعجب نیست که بگوییم که فلاسفه دیگر معاصر ارسطو این عقیده او را تکذیب نمودند.

به همین ترتیب در زمان گالیله ، یک فیلسوف فرانسوی گاساندی (Gassandi) ، انتشار صوت را جریانی از اجزا کوچک غیر مرئی بسیار ریز می‌دانست که از جسم صدا دار برخاسته و پس از عبور از آزمایشهای مربوط به هوا به گوش ما رسیده و آنرا متأثر می‌سازد. اولین کسی که تجربه زنگ زیر سرپوش خالی از آزمایشهای مربوط به هوا را امتحان کرد، آتانازیرس کیرثر (Jesuit Athanasuis Kircher) می‌باشد.

از ابتدای تاریخ آکوستیک تا به امروز ، تنها گیرنده صوتی مفید و جالب توجهی که دائما بکار رفته عبارت از گوش انسان می‌باشد. از اینرو قسمت عمده موضوع اخذ صوت به مطالعه و بررسی خواص آکوستیکی این عضو انحصار یافته است. جالب توجه این است که تا بحال یک نظریه کامل و قابل قبولی راجع به کیفیت شنوایی پیدا نشده است و موضوع شنوایی انسان یکی از مسایل پیچیده و گیج کننده علم جدید پیسکو فیزیک (Psycho Physics) می‌باشد.

ارتباط صوت و ارتعاش

تجربیات روزانه نشان می‌دهد که احساس شنیدن وقتی برای ما پیدا می‌شود که شی که در مجاورت ما واقع شده است به ارتعاش در آید. مثلا اگر پهلوی ما جامی فلزی قرار داشته باشد، چنانچه با یک قطعه فلز به بدنه جام بزنیم صدایی از آن به گوش می‌رسد و اگر با دقت به آن نگاه کنیم ملاحظه می‌گردد که در حین صدا دادن لبه جام غیر واضح می‌باشد و این علامت ارتعاش سریع است. اگر در این هنگام پاندول سبک وزن ساده‌ای را به بدنه جام نزدیک کنیم ضربه‌های پشت سر هم بدنه جام را روی پاندول که دلیل ارتعاش آن است بخوبی مشاهده می‌کنیم. اما بعضی اوقات ارتعاش به اندازه‌ای سریع است که با چشم دیده نمی‌شود و باید با وسایل مختلف از قبیل وسیله فوق وجود آنرا در اجسام ظاهر ساخت.

آیا فقط آزمایشهای مربوط به هوا وسیله انتقال صوت است؟

علاوه بر آزمایشهای مربوط به هوا جامدات و مایعات نیز برای صوت ناقل خوبی هستند. هر کس می‌داند که با گذاشتن گوش خود به زمین می‌تواند حرکت عابرین پیاده و چهارپایان را از مسافت نسبتا زیادی بشنود. همچنین اگر گوش خود را به ریل راه ‌آهن بچسبانیم حرکت قطار را ممکن است از چندین کیلومتر بشنویم. خاصیت انتقال صوت در جامدات و مایعات قویتر از خاصیت مزبور در گازها می‌باشد.

اغلب دیده‌ایم که با وجودی که پهلوی ریل راه ‌آهن ایستاده‌ایم ، صدای حرکت قطاری را که دور از ما واقع شده است نمی‌شنویم و اگر بخواهیم صدای حرکت قطار مزبور را بشنویم یا باید گوش خود را به ریل بچسبانیم و یا اینکه یک سر میله چوبی و یا فلزی را به ریل چسبانده و سر دیگر را روی گوش خود بگذاریم، طوریکه در هر دو حالت استخوان خارجی گوش به ارتعاش در آید. به همین دلیل است که دیاپازون را روی جعبه مخصوص قرار می‌دهند تا صدایش قوی شود

طول موج فاصله بین دو نقطه نظیر هم روی یک موج است. بطور معمول طول موج را از یک قله موج تا قله‌ی دیگر آن اندازه می‌گیرند.

دید کلی

بیشتر ما موجهای روی دریا را دیده‌ایم. این موجها بیش از آنکه به ساحل برسند، آب دریا را موج دار می‌کنند. به بالاترین نقطه‌های این موجها قله‌ی موج و به پایین‌ترین نقطه‌های آنها دره‌ی موج می‌گویند. فاصله بین یک قله موج تا قله‌ی دیگر را طول موج می‌نامند.

موجهای صدا

همه شکلهای انرژی متحرک ، از جمله صدا ، نور و گرما بصورت موج حرکت می‌کنند. همه‌ی آنها ، درست مانند موجهای دریا ، طول موجی دارند. برای مثال ، وقتی موجهای صدا در هوا حرکت می‌کنند، در فشار هوا تغییر اندکی بوجود می‌آورند. قله‌های موجهای صدا در نقطه هایی واقع می شوند که فشار هوا به بیشترین حد خود می‌رسد. گوشهای ما ، تغییر فشار هوا را دریافت می‌کنند و پیامی به مغز می‌فرستند.

طول موجهای متفاوت

طول موج نیز مانند بسامد (میزان بالا و پایین رفتن موج) ، روی ویژگیهایی موج تأثیر می‌گذارد؛ زیرا این دو باهم ارتباط نزدیک دارند. برای مثال ، موجهای صدای کم بسامد نسبت به موجهای صدای پر بسامد ، طول موج بزرگتری دارند. همچنین طول موج نور سرخ از طول موج نور آبی بزرگتر است. نور بخشی از گستره‌ی موجهای انرژی است که شامل موجهای رادیویی ، ریزموجها (مایکروویوها) ، پرتوهای فرو سرخ ، پرتوهای فرابنفش ، پرتوهای ایکس و پرتوهای گاما می‌شود که همه‌ی آنها با سرعت 300 هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. همه اینها باهم طیف الکترومغناطیس را تشکیل می‌دهند.

طول موج و بسامد

اگر سرعت موج (بر حسب متر بر ثانیه) را بر بسامد آن (بر حسب هرتز) تقسیم کنید، طول موج آن بر حسب متر بدست می‌آید. برای مثال که به سرعت 344 متر بر ثانیه حرکت می‌کند و بسامد آن 688 هرتز است، طول موجی برابر 5/0 متر دارد.

طیف الکترومغناطیسی

طیف الکترومغناطیسی شامل گستره‌ی بسیار وسیعی از موجهای انرژی است که همه مانند هم حرکت می‌کنند. امواج الکترومغناطیسی طیف بسیار وسیعی از طول موجهای بسیار کوچک تا بسیار بزرگ را در بر‌ می‌گیرند. این امواج را با توجه به اندازه طول موج به هفت دسته‌ مختلف تقسیم‌بندی می‌کنند که شامل امواج گاما با طول موجهایی کوچکتر از سانتیمتر تا امواج رادیویی با طول موج بزرگتر از ۱۰ سانتیمتر را شامل می‌شوند. همانطور که در شکل بالا ملاحظه می‌شود محدوده امواج نوری که قابل دیدن توسط چشم انسان می‌باشند، محدوده بسیار کوچکی از این طیف گسترده است. با حرکت از سمت امواج رادیویی به سمت امواج گاما ، همزمان با کاهش طول موج ، فرکانس آن و در نتیجه انرژی موج افزایش می‌یابد. چون بخشهای گوناگون طیف ، طول موجهای متفاوتی دارند، ویژگیهای آنها نیز متفاوت است. برای مثال موجهای نوری را می‌توانیم ببینیم، و پرتو ایکس بخشی از طیف است که از اجسام جامد ، مانند پوست‌ها ، عبور می‌کنند.

کاربرد امواج ، طول موجهای متفاوت

موجهای رادیویی در فرستنده‌های رادیویی کار می‌کنند. موجهای رادیویی با بسامد بسیار زیاد (UAF) مربوط به موجهای تلویزیون هستند. ریزموجهای بلندتر در رادار به کار می‌روند. ریزموجهای کوتاه در اجاق مایکروویو به کار می‌روند. پرتوهای فروسرخ در دوربینهای حساس به گرما به کار می‌روند. نور مرئی از سرخ تا بنفش برای رؤیت به رنگهای مختلف و پرتوهای فرابنفش در تختهای مخصوص حمام آفتاب به کار می‌روند. پرتوهای ایکس برای نگاه کردن به درون اجسام بکار می‌روند و از پرتوهای گاما برای آشکارسازی ترک در فلز به کار می‌رود. پلیس‌ها اغلب برای تشخیص سرعت خودروها از رادار استفاده می‌کنند. موجهای رادار که از تفنگی شلیک می‌شوند، به وسیله‌ی نقلیه‌ای که در حال حرکت است می‌خورند و بر می‌گردند. بسامد موج برگشتی سرعت وسیله‌ی نقلیه را مشخص می‌کند.

پراش و تداخل

امواج نوری یانگ با نشان دادن اینکه نور خواص پراش و تداخل را از خود نشان می دهد ثابت کرد که نور مانند موج رفتار می کند.

پراش پخش امواج نوری با عبور آنها از یک شکاف یا مانع است . تداخل وقتی رخ می دهد که امواج نوری یکسان با هم تلاقی می کنند ؛ این امواج گاهی همفازند یعنی برآمدگیهای آنها روی هم می افتد ، و گاهی نیز ناهمفازند ، یعنی برآمدگی یک موج با فرورفتگی موج دیگر تلاقی می کنند. دانشمند انگلیسی توماس یانگ (1773-1829) آزمایشی ترتیب داد که در آن نور عمل پراش را با عبور از یک شکاف انجام می داد . در این آزمایش امواج نوری با هم تداخل کردند و در جاهایی که همفاز بودند نوارهای روشن و در جاهایی که ناهمفاز بودند نوارهای تاریک را به وجود آوردند

دید کلی

اسحاق نیوتن نور را متشکل از ذرات ریزی می‌دانست که از منبع نور جدا می‌شوند، یعنی او برای نور خاصیت ذره‌ای قائل بود. در همان زمان ، هویگنس نور را موجی فرض می‌کرد که از منبع نور به اطراف منتشر می‌شود. با آنکه پدیده‌هایی وجود داشت که با نظریه ذره‌ای سازگار نبود، ولی سیطره علمی اسحاق نیوتن چنان بود که کسی با آن مخالفت نمی‌کرد و کسی نظریه هویگنس را قبول نداشت. تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم یانگ و فرنل هر کدام با آزمایشهایی موجی بودن نور را ثابت کردند.

آزمایشهایی در مورد تداخل و پراش تنها با فرض موجی بودن نور توجیه می‌شوند. امروزه نظر بر این است که نور ماهیت دوگانه‌ای دارد، گاهی بصورت ذره عمل می‌کند و گاهی خاصیت موجی از خود نشان می‌دهد.







وقتی دو ارتعاش نورانی به هم می‌رسند، بر هم نهاده شده و گاها نوارهای تداخلی تشکیل می‌دهند. این نوارها تنها به شرطی تشکیل می‌شوند که ارتعاشهای سازنده آنها هم پریود و همدوس باشند، یعنی اختلاف فاز آنها در هر لحظه مقدار ثابتی باشد و این امر زمانی مقدور می‌شود که ارتعاشها از یک منبع واحد حاصل شوند. یانگ اولین کسی بود که در سال 1802 به این مهم پی برد.

آزمایش یانگ

• یانگ مقابل یک منبع نورانی ، روزنه‌ای (S) قرار داد (این روزنه خود مانند یک چشمه نور عمل می‌کند). در مقابل این روزنه صفحه‌ای گذاشت که روی آن دو روزنه S₁ و S₂ به فاصله کمی از هم قرار گرفته بودند. فاصله روزنه‌های S₁ و S₂ از روزنه یکسان بود، یعنی روزنه روی محور تقارن دو روزنه قرار می‌گرفت. در مقابل این دو روزنه هم پرده‌ای برای تشکیل تصویر جای داده شد.
  
  
• نور خارج شده از منبع ، پس از عبور از روزنه S بصورت دو پرتو همفاز به روزنه های S₁ و S₂ می‌رسد. روزنه‌های S₁ و S₂ نیز نور را به اطراف خود گسیل می‌کنند. S₁ و S₂ چون منابعی همدوسند، پس پرتوهای خروجی از آنها می‌توانند روی پرده طرحهای تداخلی تشکیل دهند.
  
  
• در نقطه تلاقی محور تقارن S₁ و S₂ با پرده ، دو پرتو خروجی فاصله یکسانی طی می‌کنند، پس باهم همفاز بوده و تداخل سازنده انجام می‌دهند. از اینرو ، این نقطه به صورت نوار روشن دیده می‌شود که آنرا نوار روشن مرکزی می‌گویند.
  
  
• پرتوهای دیگری که به نقاط دیگر روی پرده می‌رسند، چون مسیر مساوی طی نمی‌کنند، باهم اختلاف راه خواهند داشت. این اختلاف راه ، باعث ایجاد اختلاف فاز می‌شود. وقتی یکی از پرتوها به اندازه یک طول موج اختلاف راه بیشتری طی می‌کند، اختلاف فاز π/2 حاصل می‌شود و نتیجه تداخل آنها اولین نوار روشن ، بعد از نوار روشن مرکزی ، خواهد بود.
  
  
• در فاصله بین نوار روشن مرکزی و اولین نوار روشن بعد از آن ، نوار تاریکی خواهیم داشت و این نشانگر تداخل ویرانگر پرتوهای فرودی به این نقطه است. یعنی دو پرتو در فاز مخالف هم قرار داشته‌اند که پس از تداخل دامنه آنها صفر شده و منطقه تاریکی حاصل کرده‌اند.
  
  
• اگر اختلاف فاز پرتوهای بر هم نهاده مضرب فردی از π باشد ، تداخل ویرانگر ایجاد شده و نوار تاریک بدست خواهد آمد و اگر اختلاف فاز مضرب زوجی از π باشد، تداخل سازنده باعث ایجاد نوار روشن خواهد شد. این نوارهای روشن و تاریک بطور متوالی و یک در میان در دو طرف نوار روشن مرکزی قرار می‌گیرند.

• فاصله دو نوار روشن یا تاریک متوالی از رابطه λD/d بدست می‌آید که D فاصله صفحه دو شکاف از پرده ،‌ λ طول موج نور و d فاصله بین دو شکاف می‌باشد. برای اینکه نقاط با شدت ماکزیمم و مینیمم ( نقاط روشن و تاریک) را جدا از هم ببینیم، باید فاصله دو ماکزیمم (یا دو مینیمم) متوالی از هم زیاد باشد، لذا باید طول موج ما بلند باشد که بلندترین طول موج نور مرئی مربوط به نور قرمز است. ولی چون نور تکرنگ در طبیعت وجود ندارد ، از لیزر استفاده می‌کنیم (لیزر هلیوم - نئون). اگر از نور طبیعی با فیلتر قرمز استفاده کنیم، پهنای نوارها زیاد شده و ازشدت نور کاسته می‌شود.
  
  
• نوارهای تاریک و روشن ایجاد شده روی پرده را طرح تداخلی می‌نامند. ملاحظه می‌شود که با اینکه چشمه‌ها نقطه‌ای‌اند، نوارها بصورت خطوط مستقیم هستند. اگر بجای چشمه‌های نقطه‌ای ، شکافهایی داشته باشیم، دوباره نوارهایی با خطوط مستقیم ولی با شدت بیشتر بدست می‌آید. از اینرو ، آزمایش یانگ را اغلب با دو شکاف انجام می‌دهند.

اندازه گیری طول موج نور

با استفاده از آزمایش یانگ ، می‌توان طول موج یک نور تکرنگ را اندازه گیری کرد. برای این منظور ، سیستم آزمایش یانگ را به ترتیبی که گفته شد، راه اندازی می‌کنیم. با جابجایی صفحه دو شکاف ، سعی می‌کنیم تصویر واضحی روی پرده تشکیل دهیم. حال موارد زیر را اندازه می‌گیریم:

• فاصله دو شکاف از پرده (D)
• فاصله دو شکاف از هم (d)
• فاصله k نوار روشن یا تاریک از نوار روشن مرکزی (x)
  
  

مقادیر بدست آمده را در رابطه λ = xd/kD گذاشته و طول موج نور را بدست می‌آوریم. از این رابطه پیداست که محل نوار شماره k به طول موج نور بستگی دارد، یعنی با تغییر طول موج محل نوارها عوض می‌شود.

آزمایش یانگ با نور سفید

اگر آزمایش یانگ را با نور سفید انجام دهیم، به ازای هر یک از رنگهای موجود در نور سفید ، یک طرح تداخلی تشکیل خواهد شد و نوارهای روشن و تاریک طول موجهای مختلف نور سفید بر هم منطبق نخواهد بود. در نتیجه ، روی پرده یک نوار مرکزی سفید خواهیم داشت که چندین نوار رنگی در دو طرف آن قرار دارند و چندان قابل تفکیک نیستند. این نوارها بزودی به سوی رنگ سفید محو می‌شوند. پس همواره باید این آزمایش را با نور تکرنگ انجام دهیم

تداخل در نور Light Interference

طبق اصل برهمنهی موجها ، وقتی چند موج در دو یا سه بعد ایجاد شوند و این موجها ضمن انتشار به هم برسند، روی هم اثر می‌گذارند. به این پدیده تداخل گویند. پس تداخل ترکیب حرکتهای ارتعاشی امواج و نتیجه برهمنهادگی آنهاست.

اصول بنیادی تداخل

• اصل استقلال انتشار امواج: طبق این اصل اگر دو یا چند موج ، بطور همزمان ، در یک منطقه از فضا در حال انتشار باشند، در لحظه به هم رسیدن ، مستقل از هم عمل می‌کنند. یعنی امواج روی هم اثر نمی‌گذارند و هر موج به گونه‌ای عمل می‌کند که در غیاب موجهای دیگر عمل می‌کرد.
  
  
• اصل برهمنهی امواج: در نقطه‌ای که موجها به هم می‌رسند، جابجایی کل برابر است با برآیند جابجاییهایی که هر یک از موجها به تنهایی ، در آن نقطه ایجاد می‌کنند. این مطلب به اصل برهمنهی امواج معروف است.

انواع تداخل

• تداخل سازنده: اگر امواجی که در یک نقطه به هم می‌رسند، همدیگر را تقویت کنند و دامنه برآیند آنها برابر مجموع دامنه موجهای اولیه باشد، تداخل را سازنده گویند. در این نوع تداخل ، امواج بر هم نهاده همفاز هستند (اختلاف فاز آنها مضرب زوجی از π است).
  
  
• تداخل ویرانگر: اگر امواج در نقطه‌ای که به هم می‌رسند، همدیگر را تضعیف کنند و دامنه برآیند برابر اختلاف دو دامنه باشد، تداخل را ویرانگر گویند. امواجی که تداخل ویرانگر را ایجاد می‌کنند، در فاز مخالف هم قرار دارند (اختلاف فاز آنها مضرب فردی از π است). می‌دانیم که نور از جنس امواج الکترومغناطیسی است که در سه بعد منتشر می‌شود. برای تفهیم بهتر تداخل امواج نوری ، تداخل امواج مکانیکی را در یک یا دو بعد در نظر می‌گیریم، سپس نمونه‌های امواج نوری را با آنها مقایسه می‌کنیم.

موج مکانیکی یک بعدی

روی ریسمانی که در در یک انتها ثابت شده است، موجی ایجاد می‌کنیم. این موج روی ریسمان بصورت سینوسی پیش می‌رود (انتشار موج سینوسی). و در این پیشروی انرژی موج را به نقاط دیگر ریسمان منتقل می‌کند. وقتی حرکت موجی به انتهای ثابت طناب رسید، موج بازتابیده می‌شود و با اختلاف فاز π به طرف دیگر طناب بر می‌گردد. اگر انتهای طناب ثابت نبود، این اختلاف فاز ایجاد نمی‌شد.

تداخل امواج مکانیکی در یک بعد

اگر در هر طرف ریسمان فوق ، امواجی ایجاد کنیم، این دو موج در خلاف جهت هم پیش می‌روند و در لحظه‌ای که به هم می‌رسند، باهم تداخل می‌کنند. اگر دو موج ، همفاز باشند، تقویت می‌شوند، در غیر این صورت ، همدیگر را تضعیف می‌کنند. دو موج پس از عبور از هم دوباره بطور مستقل ، در طول طناب ، منتشر می‌شوند.

آزمایشهای تداخلی «ایوز» و «وینر»

ایوز روی لایه‌ای از جیوه ، امولسیون یک صفحه عکاسی و روی آن شیشه‌ای قرار داد، سپس نور تکفامی را بصورت عمودی به شیشه تاباند. نور پس از عبور از شیشه و امولسیون ، در برخورد به سطح جیوه بازتاب می‌کند. این نور بازتابیده با نور فرودی تداخل می‌کند و به دلیل اختلاف فاز π امواج ساکنی تشکیل می‌دهد. ایوز وقتی فیلم عکاسی را زیر میکروسکوپ قرار داد، نوارهای تاریک و روشنی را مشاهده کرد که با فاصله مساوی از هم قرار گرفته بودند و نشانگر تداخل امواج بودند.

ایوز توانست با اندازه گیری فاصله بین دو نوار تاریک یا روشن متوالی ( که برابر 2/ λ است) طول موج نور (λ) را بدست آورد. چون طول موج نور خیلی کوتاه است، فاصله بین نوارها کم و تشخیص آن مشکل خواهد بود. «وینر» برای حل این مشکل فیلم عکاسی را با زاویه کوچک α روی جیوه قرار داد و بدین ترتیب فاصله بین نوارها (λ / 2α) افزایش یافت.

موج مکانیکی دوبعدی

اگر سنگی را درون آب آرام یک حوض بیاندازیم، موج دایروی روی سطح آب ایجاد می‌شود که در تمام جهات روی سطح آب پیش می‌رود. یعنی جبهه‌های موج بصورت دایره‌هایی هستند که محل فرود سنگ در آب مرکز آنها می‌باشد.

تداخل امواج مکانیکی دو بعدی

دو سوزن هم اندازه را به دو انتهای یک میله وصل می‌کنیم. میله را روی سطح آب حوض ، بطور منظم به بالا و پایین حرکت می‌دهیم. هر کدام از سوزنها مانند سنگی که درون آب انداختیم، عمل می‌کنند و موجهای دایروی هم فرکانس و هم دامنه و همفاز ایجاد می‌کنند که بطور مستقل از هم در سطح آب منتشر می‌شوند. این موجها در هر نقطه که به هم می‌رسند، بر هم نهاده شده و باهم تداخل می‌کنند و در این نقاط شکل دایره‌ها بصورت هذلولیهایی در می‌آید. در این مورد هم در نقاطی که دو موج همفاز باشند، تداخل سازنده و در نقاطی که دو موج ناهمفاز باشند، تداخل ویرانگر خواهیم داشت.

هرگاه دو سوزن چنان ارتعاش کنند که اختلاف فاز بین آنها ثابت باشد، آنها را همدوس گویند. در این حالت نقش تداخلی ساکنی ایجاد می‌شود. ولی اگر ارتعاش دو سوزن گاهی همفاز ، گاهی ناهمفاز و با اختلاف فازهای متغیر باشد، آنها را ناهمدوس می‌گویند. در این صورت نقش تداخلی مرتب تغییر خواهد کرد.

آزمایش ساده تداخل نورانی

اگر یک روزنه کوچک را مقابل چشمه نوری قرار دهیم، در طرف دیگر روزنه نور در همه جهات منتشر می‌شود. یعنی خود روزنه به عنوان یک منبع نقطه‌ای نور عمل می‌کند. ولی اگر روزنه مشابهی هم کنار این روزنه داشته باشیم که از منبع مشابه دیگری نور دریافت می‌کند، بر خلاف انتظار نقشهای تداخلی را نخواهیم دید.

علت تداخل چیست؟

در یک چشمه نوری ، نور از تعداد زیادی اتم گسیل می‌شود که هر اتم به مدت یک نانو ثانیه نور گسیل می‌کند. حتی اگر شرایط گسیل نور اتمها مشابه باشد، امواج مربوط به اتمهای مختلف ، اختلاف فاز متفاوتی خواهند داشت. پس پرتوهای خروجی از دو منبع فوق ، فقط حدود نانو ثانیه ارتباط فازی ثابتی خواهند داشت. یعنی در یک ثانیه نقش تداخلی (10⁹) بار تغییر می‌کند. چشم فقط تغییراتی را می‌بیند که حدود 0.1 ثانیه ادامه یابد، پس قادر به تشخیص تغییرات فوق و نقش تداخلی متغیر نخواهد بود. پس نورهای خروجی از دو منبع مختلف ارتباط ثابتی باهم ندارند و لذا نمی‌توانند نقش تداخلی ثابتی ایجاد کنند.

به عبارت دیگر ، امواج منابع مختلف باهم هماهنگی ندارند(همدوسی زمانی ندارند). در یک لحظه نقطه A دو گروه موج از دو منبع دریافت می‌کند، چون این دو منبع ناهمدوسند، بین این دو گروه اختلاف فاز وجود خواهد داشت. در لحظه بعد ، دو گروه موج دیگر به نقطه A می‌رسند که دوباره باهم اختلاف فاز خواهند داشت. ممکن است این دو اختلاف فاز باهم برابر باشند یا نباشند، پس در لحظات مختلف ، نقطه A دارای اختلاف فازهای متفاوتی از امواج دریافتی خواهد بود.

نقش همدوسی در تداخل

یانگ با طرح روش ساده‌ای مشکل ناهمدوسی منابع را حل کرد. او بجای دو منبع از یک منبع استفاده کرد و در مقابل آن پرده‌ای با دو روزنه قرار داد. امواج نوری گسیل شده از منبع ، بطور همزمان به دو قطار در روزنه‌ها تقسیم می‌شوند که کاملا باهم مشابهند. در این حالت عدم هماهنگی از بین می‌رود و تنها اختلاف راه دو منبع باعث ایجاد اختلاف فاز می‌شود. این اختلاف فاز برای یک نقطه به دلیل شرایط ثابت ، همیشه ثابت است.

در نقطه دیگر روی پرده ، چون اختلاف راه پرتوها فرق کرده ، اختلاف فاز متفاوت ولی ثابتی خواهیم داشت. پس شدت نور این نقطه متفاوت از شدت نقطه قبلی خواهد بود. بدین ترتیب توزیع شدتی که به نقش تداخل معروف است، روی پرده مشاهده می‌شود. پس برای غلبه بر مشکل ناهمدوسی منابع ، باید موجهای تداخل کننده از یک منبع واحد خارج شوند. اینکار به دو روش تقسیم جبهه موج و تقسیم دامنه موج انجام می‌شود. با مطالعه خطوط تداخلی حاصل از آزمایشهای تداخل و تداخل سنجها می‌توان به اطلاعات وسیعی دست یافت.

تئوری آزمایش:

آزمایش آینه لوید ، از انواع آزمایشهای تداخل است که تداخل آن به روش تقسیم جبهه موج می باشد.

در این آزمایش ، نور از یک شکاف با فرود تقریبا مماسی ، به آینه تختی می تابد. این نور پس از برخورد به آینه باز تابیده می شود و ناظری که به آینه نگاه می کند، چنین تصور می کند که نور از یک منبع در پشت آینه می آید. بدین ترتیب یک منبع ، تبدیل به دو منبع می شود و شرایط تداخل فراهم می آید. نوری که مستقیما از شکاف می آید، با نور بازتابیده از آینه تداخل می کند.

نقش تداخل:

اگر پرده ای را چنان قرار دهیم که آینه بر آن عمود و مماس باشد، نقش تداخلی را روی آن مشاهده خواهیم کرد. بنابراین شکاف و تصویر مجازی آنرا می توان بصورت دو منبع همدوس در نظر گرفت که نقش تداخلی را بصورت نوارهای روشن و تاریک تشکیل می دهند.

نوارهای تداخلی:

• وقتی پرتوهای برهم نهاده در یک نقطه همفاز باشند، باهم تداخل سازنده کرده و نوار روشنی پدید می آورند.

• وقتی اختلاف فاز پرتوهای برهم نهاده ، مضرب فردی از π باشد، تداخل ویرانگر ایجاد شده و نوار بوجود آمده تاریک خواهد بود.

اختلاف راه فیزیکی:

در آزمایش لوید ، در نقطه تماس پرده و آینه ، پرتوهایی که به هم می رسند، چون از چشمه های همدوس هستند و مسیر مساوی طی می کنند، اختلاف راه نخواهد داشت. لذا باهم همفاز خواهند بود. در این شرایط بایستی تداخل سازنده و نوار روشن داشته باشیم؛ ولی بر خلاف انتظار ، این نقطه تاریک دیده می شود. علت این امر اختلاف راه فیزیکی است.

وقتی نور از محیط رقیق به محیط غلیظ می رسد، بازتابیده می شود. در این بازتابش اختلاف راه λ/2 وجود دارد که باعث تغییر فاز ناگهانی به میزان p بوده و در اثر تداخل ویرانگر ، نوار تاریک حاصل می شود. تقش تداخلی بصورت نوارهای روشن و تاریک متوالی ، پس از این نوار تاریک روی پرده ظاهر خواهد شد.

عدم لحاظ اختلاف راه فیزیکی:

• اگر اختلاف راه پرتوهای به هم رسیده ، در یک نقطه مضرب صحیحی از λ باشد، تداخل ویرانگر حاصل شده، نوار تاریک بوجود می آید.

• اگر اختلاف راه پرتوهای بهم رسیده، در یک نقطه مضرب صحیحی از λ/2 باشد، تداخل سازنده حاصل شده، نوار روشن بوجود می آید.

• اگر پرده با آینه تماس نداشته باشد، نوار مرکزی روی پرده دیده نمی شود. در این مورد می توان یک ورقه نازک میکا را در مسیر باریکه مستقیم قرار داد، تا اینکه نوار مرکزی بالاتر از امتداد آینه روی پرده تشکیل شود. و چنانچه گفته شد، این نوار تاریک خواهد بود.

• در این آزمایش می توان از یک سطح دی الکتریک که بازتابندگی زیادی دارد، به جای آینه استفاده کرد

آینه‌های معمولی که سطح آنها مسطح است، آینه تخت نامیده می‌شوند. این آینه‌ها همان آینه‌‌هایی هستند که همه ما از آنها استفاده می‌کنیم و می‌توانیم اشیا را عینا (البته با وارونی جانبی) در آنها ببینیم.

دید کلی

آینه‌های معمولی را که سطح آنها مسطح است، آینه تخت می‌نامند. در واقع این آینه‌ها شیشه‌هایی هستند که یک طرف آنها جیوه‌اندود شده است. هنگامی که روبروی آینه‌ای می‌ایستید، خودتان را در آینه می‌بینید، یا اگر تصاویر اطراف آب ، در آب قابل مشاهده است، به این علت است که از سطح آینه یا آب نورها بازتاب پیدا می‌کنند و به چشم می‌رسند. آنچه در آینه دیده می‌شود، تصویر شی مقابل آینه است. آیا تاکنون تصویر درختان یا منظره‌های اطراف یک استخر آب را در سطح آب مشاهده کرده‌اید؟

چگونگی تشکیل تصویر در آینه تخت

هنگامی که یک شی که در روشنایی واقع است، در مقابل آینه تخت قرار می‌گیرد، از هر نقطه جسم پرتوهای نور به آینه می‌تابند. این پرتوها پس از بازتاب از آینه به چشم می‌رسند، مثل اینکه پرتوها از نقطه‌ای که در پشت آینه واقع است، به چشم می‌رسند. این نقطه همان نقطه تقاطعی است که در آن امتداد پرتوهای بازتابشی به چشم ، در پشت آینه ، به هم می‌رسند و آن نقطه ، تصویر نقطه‌ای نقطه انتخاب شده از جسم نامیده می‌شود. به این ترتیب می‌توانیم تصویر هر نقطه دیگری از جسم را به کمک حداقل دو پرتو که از آن نقطه به آینه می‌تابند، مشخص کنیم.

ویژگی تصویر در آینه تخت

• اگر واقعا در پشت آینه نقطه نورانی وجود داشت و پرتوهایی از آن به چشم می‌رسید، آن پرتوها مانند پرتوهایی بودند که از سطح آینه به چشم رسیده‌اند. به همین سبب انسان تصور می‌کند نقطه نورانی جسم در پشت آینه است. نقطه نورانی پشت آینه تصویر مجازی جسم نامیده می‌شود. تصویر مجازی از برخورد امتداد پرتوهای بازتاب حاصل می‌شود.
  
  
• در آینه تخت طول تصویر با طول شی برابر است.
  
  
• تصویر در آینه تخت نسبت به جسم ، مستقیم است.
  
  
• تصویر در آینه تخت دارای وارونی جانبی است، بطوری که اگر کتابی را در مقابل آینه قرار دهید، نوشته‌های کتاب که قبلا از راست به چپ قابل خواندن بود، اکنون از چپ به راست قابل خواندن است.

دوران آینه تخت

اگر شعاع تابش ثابت بماند و آینه را حول محوری واقع در سطح آن به اندازه α دوران دهیم، شعاع بازتابش به اندازه 2α دوران می‌کند.

انتقال آینه

• اگر آینه تخت به موازات سطح خود به اندازه L منتقل شود، تصویر به اندازه 2L منتقل می‌شود.
  
  
• اگر آینه‌ای با سرعت V به جسمی نزدیک یا از آن دور شود، تصویر با سرعت 2V به جسم نزدیک یا از جسم دور می‌شود.
  
  
• اگر جسم با سرعت ^'V به آینه نزدیک یا از آن دور شود، تصویر با سرعت ^'2V به جسم نزدیک یا از جسم دور می‌شود.
  
  
• اگر جسم با سرعت ^'V به آینه نزدیک یا از آینه دور شود، تصویر با سرعت ^'V نسبت به جای اولیه خود نسبت به آینه حرکت می‌کند، ولی با سرعت ^'2V نسبت به جسم حرکت می‌کند.

آزمایش

یک شیشه را بطور ایستاده روی میز نصب کنید. دو شمع مشابه را در طرفین شیشه قرار دهید. پس از آنکه یکی از شمعها را روشن کردید، از طرف شمع روشن به شیشه نگاه کنید. شمع خاموش و تصویر شمع روشن را در شیشه خواهید دید. شمع روشن را جابجا کنید، با این کار تصویر آن جابجا خواهد شد.

این شمع را آنقدر جابجا کنید تا تصویر شمع روشن بر شمع خاموش منطبق شود، در این صورت در شیشه فقط یک شمع و آن هم روشن دیده می‌شود. اگر فاصله بین هر کدام از شمع‌ها تا شیشه را اندازه بگیرید، با هم برابر خواهند بود، گویی جسمی را در مقابل آینه قرار داده‌اید و تصویر آن در فاصله‌ای برابر در پشت آینه تشکیل شده است.

آینه‌ها (Mirorrs)

مقدمه

بدون شک همه ما هر روز با آینه سر و کار داریم و از آن استفاده می‌کنیم. اما آیا تا کنون از خود پرسیده‌ایم که آینه چگونه بوجود آمده است؟! چگونه به تکامل رسیده است؟! و چه نقشی را در زندگی و دنیای پیشرفته امروزی بازی می‌کند؟! احتمال اینکه اولین آینه ، آبگیرها بوده باشند بسیار قوی است و در واقع واژه "آبگینه" یا "آب گونه" شاید از چنین خاستگاهی بوجود آمده باشد.

تاریخچه

کاوشهای باستان شناسان مبین این نکته جالب است که آینه‌های شخصی و ساده بیش از 50 قرن قدمت دارند و در دورانهای گذشته از ارزشی اغراق آمیز برخوردار بوده‌اند. زمانی در آسیای صغیر آینه را از جنس برنز و مس مفرغ می‌ساختند و آن را صیقل داده و با دسته‌های پر نقش و نگار عرضه می‌کردند و به تدریج آینه‌های فولادی به علت قابلیت صیقل یافتن بیشتر و شفافیت بیشتر ، نسبت به برنز و مس و مفرغ ، جایگزین آینه‌های قدیمی‌تر شدند، تا اینکه تحول اساسی در صنعت تولید آینه بوجود آمد. در قرن 12 میلادی کاربرد شیشه در تولید آینه کشف شد و اولین آینه‌های شیشه‌ای که با ورقه‌هایی پوشیده از سرب به بازار عرضه می‌شدند بوجود آمدند.

مدتی بعد ماهیت سمی بودن سرب آشکار گردید و به همین دلیل استفاده از مخلوط جیوه و قلع بجای سرب آغاز شد. این تغییر و تحولات باعث شدند که ونیز که در آن زمان محل تولید اینگونه آینه‌ها بود به یک قطب اقتصادی تبدیل شود. با وجود این ، اختراع و تولید آینه را نباید جزو نیازهای اولیه و تنها در حد یک ابزار شخصی تصور کنیم، امروزه کاربردهای علمی آینه‌ها بسیار بیشتر از کاربردهای اولیه و ظاهری آنها هستند.

داشنمندان از مدتها قبل خواص آینه‌های تخت و کوژ و کاو (محدب و مقعر) را می‌شناختند و حتی با استفاده از آنها برای متمرکز کردن نور آفتاب وسایلی را برای به آتش کشیدن اجسام اختراع کرده بودند. حتی در این مورد افسانه‌ای وجود دارد که می‌گویند ارشمیدس دانشمند معروف قرن سوم قبل از میلاد بوسیله شبکه‌ای از اینگونه آینه‌ها ، کشتیهای بادبانی مهاجمان رومی را به آتش می‌کشیده است، تا اینکه فرمانروای روم سرانجام در شب موفق به تسخیر شهر "سیراکوز" می‌گردد.

تصویر در آینه‌ها

آینه‌ها سطوح بازتابنده هستند که تصویر جسم نورانی قرار گرفته در جلوی خودشان را نشان می‌دهند، بسته به فاصله جسم از آینه مشخصات تصویر (مکان - وارونگی - برگردان جانبی - بزرگی) ممکن است متفاوت باشد. این وسیله نوری از دیر باز در زندگی بشر نقش عمده‌ای داشته و استفاده‌های فراوانی از آن به عمل آمده است. در طبیعت شکل گیری تصویر در آب یا در شیشه‌های پنجره و یا سطوح بازتابان فلزی و پدیده‌هایی از این قبیل به وفور وجود دارند. بر حسب نوع کاربرد و چگونگی شکل گیری تصویر و مشخصات آن به دو دسته عمده تقسیم شده‌اند:

آینه‌های تخت

آینه‌هایی هستند که در منازل وجود دارد و از جسم نورانی تصویری مستقیم و مجازی و برگردان تشکیل می‌دهند، طوری که سمت راست جسم برای تصویر سمت چپ به حساب می‌آید و برعکس که در اکثر سیستمهای نوری ساده کاربرد فراوان دارند. در کارهای عادی و مصارف عمومی از این آینه استفاده می‌شود. به لحاظ هزینه پایین و تولید راحت و انبوه سازی و سادگی مکانیزم توسعه فراوانی دارد.

در منازل ، باشگاهها و مغازه‌ها و دکوراسیون در آینه کاری و معماری و در بتینه کاری و تزئینات ساختمان کاربرد فراوان دارند. از قدیم الایام به صورتهای طبیعی یافت می‌شدند، که با پیشرفت علم و صنعت با کیفیتهای بالاتر نیز به بازار عرضه شد که حتی در برخی سیستمهای اپتیکی نیز بکار گرفته‌اند.

موارد استفاده آینه‌های تخت

امروزه بهره وری این آینه‌ها را بالا برده‌اند و آینه‌هایی با ضریب بازتابش بسیار بالایی هم ساخته‌اند. در سیستمهای نوری و برخی دستگاههای حساس نوری از جمله لیزرها از این آینه‌ها استفاده می‌شود، آینه‌های شیشه‌ای نیم بازتابان نیز از این نوعند.

انواع آینه‌های تخت

• آینه‌های شیشه‌ای: که بر حسب نوع کیفیت و صیقل بودن شیشه و مواد اندود کننده دارای کیفیت متفاوتی می‌باشند.
• آینه‌های فلزی: آینه‌های فلزی را بیشتر از نوع تخت می‌سازند و در دندانپزشکی و قطعات ریز اپتیکی کاربرد دارند.
• آینه‌های لایه گذاری شده: آینه‌ای با چند لایه اندود جهت بالا بردن ضریب بازتابش و اصلاح آینه‌ها شیشه‌ای و جلوگیری کامل از شبح نوری ساخته شده‌اند.

آینه‌های کروی

این آینه‌ها به دو دسته عمده آینه‌های محدب و آینه‌های مقعر تقسیم می‌شوند. این آینه‌ها از لحاظ همگرایی و واگرایی پرتوهای نوری و شکل گیری تصویر و بزرگنمایی و وارونگی و سایر مشخصات تصویر کاربردهای ویژه‌ای در سیستمهای نوری دارند.

آینه شلجمی

در چراغهای اتومبیلها و برخی سیستمهای موازی ساز نورها بکار می‌روند، که شکلی شبیه آینه‌های کروی اما متفاوت از آنها دارند.

آینه‌های توان بالا

نوعی آینه‌های چند لایه‌ای هستند که در سیستمهای بازتاب کامل نور و نیز در سیستمهای لیزری و برخی طیف سنجها و محاسبات دقیق و حساس نوری کاربرد دارند.

تقسیمات آینه‌ها

آینه‌ها را بر حسب جنس مواد سازنده و نحوه کارشان به چند دسته عمده بصورت زیر نیز تقسیم بندی می‌کنند که اسامی آنها گویای چگونگی ساخت آنها نیز می‌باشد.

آینه‌های شیشه‌ای

این آینه‌ها از جنس شیشه بوده که پشت آن به توسط مواد باز تابنده اندود شده است و به لحاظ هزینه پایین و مکانیزم ساده کاربرد وسیعی دارند، معمولا سطوح این آینه‌ها به توسط جیوه (Hg) و نقره (Ag) و آلومینیوم (Al) اندود می‌شود. البته یک لایه رنگ هم روی فلز زده می‌شود که از آن محافظت نماید.

آینه‌های فلزی

یک نوع آینه‌های فلزی همان آینه‌ای شیشه‌ای اندود فلزی شده هستند، نوع دوم که بیشتر مد نظر ماست جهت جلوگیری از شبح نوری که از تداخل دو بازتاب لایه خارجی و داخلی آینه ایجاد می‌شود و وضوح تصویر را پایین می‌آورد. آینه‌های تک لایه‌ای فلزی هستند، که فلزات با سطوح صیقل یافته ساخته می‌شود که مشهورترینشان آینه آلومینیومی یا آینه استیل و ... که توان بازتابی خوبی دارند و در دستگاههای اپتیکی هم جواب خوبی می‌دهند.

آینه‌های مایع

یک آینه دیگر با سمت گیری بسیار ویژه ، آینه‌ای است که از سطح یک مایع تشکیل می‌یابد. برای مثال ، از یک تشت پر از جیوه و یک باریکه لیزر برای تعیین امتداد قائم یک محل استفاده می‌شود و به منزله یک شاقول اپتیکی دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای همین مقصود ، می‌توان حتی از مایعاتی که قدرت بازتابی کمتری دارند ولی سمی نیستند، استفاده کرد.

کاربردها

برای اولین بار "اسحق نیوتن" داشنمند معروف انگلیسی و کاشف قانون جاذبه ، از آینه‌ها در ساخت تلسکوپ جدید که خود اختراع کرده بود بهره جست و به این ترتیب نسل جدید از این گونه تلسکوپها را بوجود آورد. از آن زمان ، یعنی از سال 1671م تا کنون آینه‌های بسیار شفافتر و بزرگتر و در نتیجه تلسکوپهای بسیار عظیمتر و دقیقتری توسط دانشمندان گوناگون بوجود آمده‌اند. تلسکوپهایی که برای ساخت آنها هزینه‌های بسیار گزافی صرف شده است. برای نمونه ، آینه تلسکوپ عظیم رصدخانه کوه پالومار در کالیفرنیا 5 متر و 8 میلیمتر قطر و حدود 20 تن وزن دارد! چنین آینه‌هایی با دقت و شفافیت بسیار بالایی که دارند می‌توانند نگاه انسانهای کنجکاو و جستجو گران فضا را تا اعماق فضا گسترش دهند.

البته باید اقرار کرد در واقع بدون وجود اینگونه آینه‌ها نگاه انسان کنونی از سطح زمین فراتر نمی‌رفت. بنابراین یکی از نتایج اختراع و تکامل آینه‌ها ، گسترش نگاه انسان از کیهان و برملا شدن بسیاری از رازهای پیدایش هستی را در بر داشته است. علاوه بر این ، در بسیاری از تکنیکهای پیچیده هواپیمایی و سیستمهای رادار ، انواع میکروسکوپها و ابزار آلات پزشکی و بسیاری از ابزارهای پیشرفته کنونی ، انواع گوناگون آینه‌ها ، نقشی بسیار اساسی را به عهده دارند.

بنابراین انسان بدون آینه ، هرگز صاحب علوم امروزی و تکنولوژی امروزی نمی‌شد و بسیاری از رازهای دنیای علم و طبیعت و کهکشانها برای انسان ناشناخته باقی می‌ماند. اما ، این مسأله‌ای نبود که بتوان به کمک تلسکوپهای زمینی به آن دست افت و در حقیقت از اینجا بود که پروژه‌های پر خرجی آغاز شد.

دو منشور فرنل:

• در اوایل قرن نوزدهم ، فرنل در فرانسه ، آرایشی را ترتیب داد که نقش تداخل را روی پرده تشکیل می داد. او با این آزمایش توانست ماهیت موجی بودن نور را که سالها قبل هویگنس بیان کرده بود، به صورت عملی اثبات کند.

• شرط لازم در تداخل ، همدوسی منابع است. برای اینکه پرتوهای تداخل کننده همدوس باشند، باید آنها را از یک منبع واحد انتخاب کرد. فرنل با دو آزمایش متفاوت ، این کار را با موفقیت انجام داد.

• در یک آزمایش ، نور با استفاده از بازتاب از سطح آینه به دو پرتو همدوس تبدیل شده و نقش تداخلی را روی پرده تشکیل می دهد. در آزمایش دیگر ، شکست نور منبع در عبور از منشور ، شرط لازم برای تداخل را فراهم کرده و نقش تداخلی را بوجود می آورد.

آزمایش دو منشور فرنل:

• فرنل دو منشور نازک ( منشور نازک ، منشوری با زاویه راس کوچک ، تقریبا برابر 3/1 درجه ، می باشد.) را روی هم گذاشت و نور را از یک شکاف به آن تاباند. ( شکاف به جای چشمه نقطه ای نور استفاده می شود، چون در هر دو حالت نوارهای خطی مستقیمی خواهیم داشت، با این تفاوت که شدت نوارهای حاصل از شکاف بیشتر است).

• نور تابیده ، توسط منشور شکسته می شود و دو تصویر مجازی از شکاف تولید می کند. این دو تصویر چون تصاویر همزمان شکاف اصلی ، در منشورهای بالا و پایین هستند، لذا به صورت چشمه های همدوس عمل می کنند و می توانند نوارهای تداخلی را در طرف دیگر بوجود آورند.

نوارهای تداخلی:

• نور شکسته شده توسط منشور بالایی ، ناحیه ای را روی پره روشن می کند. نور شکستی منشور پایینی هم ناحیه دیگری از پرده را روشن می کند. در محل تلاقی این دو ناحیه ، امکان تداخل پرتوها وجود دارد.

• جایی که اختلاف فاز پرتوها صفر یا مضرب زوجی از π باشد، تداخل سازنده بوجود آمده و نوار روشنی ایجاد می شود. اگر اختلاف فاز پرتوها مضرب فردی از π باشد، تداخل ویرانگر و نوار تاریک خواهیم داشت. این نوارها یک در میان و پشت سرهم قرار گرفته، نقش تداخلی را بوجود می آورند.

روش آزمایش:

با قرار دادن یک عدسی مقعر در مقابل لیزر ، نور آن را بر روی فصل مشترک دو منشور می اندازیم تا نوارهای تداخلی روی پرده تشکیل شود. فاصله k نوار روشن را از نوار مرکزی اندازه می گیریم (x). با اندازه گیری فاصله دو منشور تا منبع (R) ، فاصله منبع تا پرده (D) و با معلوم بودن ضریب شکست (n) و زاویه قاعده (α) منشور، طول موج نور را با استفاده از رابطه λ=2Rαx(n-1)/kD بدست می آوریم.

فاصله بین نوارهای تداخلی:

اگر n ضریب شکست دو منشوری و α زاویه قاعده باشد ، (α(n-1 زاویه انحراف ایجاد شده در منشور خواهد بود. فاصله بین دو نوار تداخلی از رابطه λD/d بدست می آید که در آن λ طول موج نور ، D فاصله منبع تا پرده و d فاصله دو منبع مجزا از هم می باشد. فاصله های D و d را با قرار دادن یک عدسی کوژ بین دو منشوری و چشمی می توان تعیین کرد.

آرایش دو منشور فرنل اغلب برای تعیین طول موج نور بکار می رود.

آزمایش با نور سفید:

در آزمایشهای مربوط به تداخل اغلب از منبع تقریبا تکفام استفاده می شود تا فقط طول موجهای خاصی با هم تداخل کنند. اگر این آزمایشها را با نور سفید انجام دهیم، چون فاصله نوارها به طول موج بستگی دارد، هر کدام از طول موجهای نور سفید نقش تداخلی خاصی را ایجاد می کنند.

در این حالت نوار روشن یک رنگ روی نوار تاریک رنگ دیگر می افتد و مرز نوارها مشخص نمی شود، ولی در جایی که اختلاف راه صفر است، چون همه رنگها با هم تداخل سازنده انجام می دهند، نوار روشن سفید خواهیم داشت، این نوار ، نوار روشن مرکزی می باشد. در اطراف نوار روشن مرکزی نوارهای رنگی دیده می شود که به زودی دو باره به سوی رنگ سفید متمایل می شوند.

هدف آزمایش

تعیین زاویه راس منشور

تئوری آزمایش

منشور محیط شفافی است که توسط دو سطح تخت متقاطع از محیط اطراف جدا شده باشد. زاویه بین دو سطح متقاطع را زاویه راس و سطح مقابل آن را قاعده منشور گویند. هر یک از دو سطح متقاطع را وجه منشور نامند. هرگاه نور تکرنگی از یک وجه منشور با زاویه معین نسبت به خط عمود بر آن وجه بتابانیم، این نور پس از دو بار شکست متوالی در دو سطح جدایی محیطها (وجهای منشور) با زاویه‌ای متفاوت از منشور خارج می‌شود. زاویه بین پرتو تابش و پرتو خروجی را زاویه انحراف گویند.

زاویه انحراف ، بستگی به زاویه بین دو وجهی که نور از آنها وارد و خارج می‌شود دارد. انتخاب نور تکرنگ بدین دلیل می‌باشد که منشور نور سفید را علاوه بر انحراف به هفت رنگ تجزیه می‌کنند. چون طول موجهای متفاوت در یک محیط معین با زوایای متفاوتی شکسته و در منشور نیز خروجی شامل هفت رنگ ، که نور سفید شامل آنها است می‌باشد. با توجه به قوانین اسنل - دکارت و ساختار منشور روابط زیر در مورد منشورها حاکم هستند:

i: زاویه پرتو تابش ́i: زاویه پرتو خروجی r: زاویه شکست پرتو تابشی ŕ: زاویه شکست پرتو خروجی A = r+r زاویه راس منشور D = i+í-A زاویه انحراف

زاویه انحراف بستگی به زاویه تابش داشته و اگر منشور را حول محوری که از محل تلاقی پرتو تابشی با وجه منشور می‌گذرد، دوران دهیم، زاویه انحراف ابتدا کم می‌شود و به مقدار مینیممی می‌رسد و سپس با این که دوران در همان جهت ادامه دارد، زاویه انحراف بیشتر می‌شود.

در شرایط مینیمم انحراف i =i  و در نتیجهr = r ، در این صورت زاویه مینیمم انحراف برابر است با:

D_m = 2i - A یا i= D_m + A/2 و در نهایت ضریب شکست منشور به صورت زیر بر حسب زاویه مینیمم انحراف و زاویه راس منشور حاصل می‌شود:

وسایل لازم

1. اسکپترومتر منشوری
2. کلیماتور (موازی ساز)
3. شعله سدیم یا لوله گسیلر حاوی گاز هلیوم و یا لامپ جیوه

شرح آزمایش

تنظیم اسکپترومتر

عدسی چشمی دوربین را طوری تنظیم کنید که تصویر خطوط متقاطع به نحوی دیده شود. دوربین را برای نور موازی میزان کنید (آنرا متوجه جسم دوری نمایید و تصویر آن را واضح ببینید) در این حالت نباید بین خطوط متقاطع که از داخل چشمی دیده می‌شود و تصویری که از داخل دوربین دیده می‌شود، پارالکس وجود داشته باشد. منبع را نزدیک شکاف کلیماتور قرار داده و پس از قرار دادن دوربین در امتداد لوله کلیماتور (موازی ساز) تصویر دقیق شکاف را در آن ببینید و یقین حاصل کنید که بین تصویر شکاف کلیماتور و خطوط متقاطع چشمی پارالکسی وجود ندارد.

تراز کردن منشور

منشور را روی حامل خود طوری قرار دهید که یکی از رئوس آن به محور حامل نزدیک باشد. آنگاه آن را بچرخانید تا یکی از وجوه آن بر خط رابط دو پیچ تنظیم دستگاه عمود باشد. حامل را چرخانده تا نور منعکس شده از هر دو وجه دیده شود. با تنظیم پیچهای تراز کاری کنید که تصویر شکاف در وسط میدان دید قرار گیرد (با تکرار).

اندازه گیری زاویه راس منشور

شکاف را تا آنجا که عملی است باریک کرده و تصویر آن را در اوضاع T₁ و T₂ دوربین با دقت بر تار رتیکول چشمی قرار دهید. پس از حصول این وضع زوایای₁ θ و θ₂ را روی ورینه‌ای که به دوربین متصل است بخوانید و ثبت نمایید.





با استفاده از این رابطه زاویه رأس منشور بدست می‌آید.

نتایج آزمایش

1. زاویه راس منشور مستقل از مسیر پرتوی تابسی است.
2. زاویه راس منشور به نوع ماده (ضریب شکست) ماده وابسته نیست.
3. تغییرات ضریب شکست منشور سبب تغییرات زاویه منیمم انحرافش می‌شود نه زاویه راسش.
4. برای سایر اندازه گیریهای اپتیکی زاویه راس منشور را ثابت و معین در نظر می‌گیرند.

هدف آزمایش

بررسی شکست نورهای مختلف در منشور و پاشندگی نور سفید در آن

وسایل آزمایش

1. اسکپترومتر منشوری
2. کلیماتور (موازی ساز)
3. لامپ جیوه
   

تئوری آزمایش

در یک منشور ضریب شکست n به طول موج تابشی بستگی دارد و اگر نور مرکبی به منشور بتابد، طول موجهای تشکیل دهنده این نور مرکب از هم جدا شده ، طوریکه طول موجهای کوچکتر بیشتر منحرف می‌شوند و برعکس. اگر منشور در مینیمم انحراف باشد، داریم:






A: زاویه راس منشور (جزء معلومات آزمایش است)

D_m: زاویه مینیمم انحراف

از طرفی طبق رابطه کوشی ، بستگی ضریب شکست به طول موج بطور خلاصه بصورت زیر است، که در آن A و B یک ضریب ثابت و λ طول موج نور تابشی است:

n = a+b/λ²

شرح آزمایش

پس از تنظیم اسپکترومتر و قرار دادن منشور شیشه‌ای روی صفحه‌ای حامل ، طیف جیوه را پس از تجزیه توسط منشور در داخل تلسکوپ مشاهده خواهید کرد. حال دو خط رنگی به طول موجهای مشخص را مثلا نور زرد اول و نور سبز پر رنگ انتخاب و مینیمم انحراف برای این دو طول موج را بدست می‌آوریم.

پس از بدست آوردن مینیمم انحراف ، ضرایب شکست مربوط به آنها را با توجه به روابط ارائه شده در تئوری آزمایش محاسبه می‌کنیم.

یادآور می‌شویم که در رابطه کوشی، ضرایب a و b مقادیر ثابتی هستند، یعنی برای تمامی ضرایب شکست یا طول موجها یکی هستند. در این مرحله که ضرایب شکست و طول موجهای برای دو نور مشخص معلوم شد، طبق رابطه کوشی ، دو معادله دو مجهولی که در آن فقط ضرایب a و b مجهولند حاصل و این ضرایب به راحتی بدست می‌آیند. حال با استفاده از ضرایب کوشی و ضرایب شکستهای پیدا شده (همانطوری که در تئوری ارائه شده) ، طول موج رنگها بدست خواهند آمد.

نتایج آزمایش

1. میزان شکست نور (انحراف پرتو) به طول موج نور تابشی بستگی دارد، از این خاصیت در تجزیه نور سفید استفاده می‌شود.
   
   
2. میزان شکست نور به زاویه تابشی وابسته است.
   
   
3. به کمک شکست پرتو نور در منشورها ، می‌توان ضریب شکست منشور را بدست آورد.
   
   
4. در ساخت تلسکوپهای ویژه‌ای برای رصد ستارگان دوتایی طیفی استفاده می‌شود.
   
   
5. مسافت یابهای منشوری براساس شکست نور در منشور بکار می‌روند.
   
   
6. از این پدیده جهت تولید چشمه‌های نوری تک فام (تک رنگ) استفاده می‌شود.

سئوالاتی که با آزمایش اخیر می‌توان جواب داد.

1. چرا نور سفید در منشور تجزیه می‌شود؟
   
   
2. چرا نور قرمز کمترین و نور بنفش بیشترین انحراف را در منشور دارد؟
   
   
3. با اینکه قطرات باران در تشکیل رنگین کمان به عنوان منشور عمل می‌کند، آیا از بلور یخ می‌توان منشور ساخت؟
   
   
4. با توجه به ماهیت ذره‌ای نور ، آیا از طیف منشور می‌توان در صنایع رنگسازی استفاده کرد؟

هدف آزمایش

بررسی طیفهای نور سفید

لوازم مورد نیاز

لامپ رویتر یا هالوژنه ، منبع تغذیه ، عدسی با فاصله‌های کانونی مختلف ، صفحه دوار ، منشور یا تیغه ذوزنقه‌ای و صفحه تصویر.

تئوری آزمایش

نور دارای رنگهای گوناگون است. نمونه‌های رنگی نور را می‌توان با گذراندن دسته‌ای از پوتوهای نور خورشید یا نور چراغ از ماده شفاف رنگی مشاهده کرد. مثلا وقتی که دسته‌ای از پرتوهای نور سفید (نور سفید به مفهومی که ما از رنگ سفید واقعی داریم نیست، بلکه همان نور روز است) ، به یک صفحه شیشه‌ای قرمز رنگ بتابد، نوری که از شیشه خارج می‌شود، به رنگ قرمز است. اگر همین دسته پرتو به شیشه سبز رنگ بتابد، نوری که از آن خارج می‌شود به رنگ سبز است، بطور کلی ، نوری که از یک ماده شفاف رنگی خارج می‌شود، همواره به رنگ آن ماده است (عبور انتخابی).

وقتی نور سفید از منشور می‌گذرد، چه روی می‌دهد؟

هر کسی می‌تواند به آسانی این کار را انجام داده و نتیجه را مشاهده نماید. اگر منشوری را در مقابل پرتوهای خورشید قرار داده و در مقابل آن نیز پرده سفیدی را بگذاریم، وضعیتی بدون منشور بر روی پرده سفید مشاهده می‌شود. تصویر کشیده‌ای مشاهده می‌شود که بالای آن آبی کمرنگ است. از این مشاهده نتیجه می‌شود، که نور سفید خورشید ممکن است از اشعه‌ای به رنگهای گوناگون تشکیل شده باشد. از اشعه‌ای که بیشترین انکسار را دارد تا اشعه سرخ که کمترین انکسار را دارد (نور مرکب یا غیر تکفام).

اگر محدودیت جزئی در نور ورودی به منشور ، از طریق ایجاد یک سوراخ اعمال کرده و یک عدسی در مسیر پرتو نور وارد کرده که تصویر سوراخ کوچک را بر پرده متمرکز سازد، با رضایت خاطر نواری از رنگهای روشن به ترتیب: سرخ ، نارنجی ، سبز ، آبی و بنفش را مشاهده خواهیم کرد. در حقیقت یک طیف نما ساختیم که رنگهای مختلفی را که نور سفید از آنها تشکیل یافته و قابلیت انکسار متفاوت دارند، تجزیه و قابل مشاده می‌سازد.

چشم ما رنگهای مختلف را چطور حس می‌کند؟

شبکیه چشم انسان دارای سه نوع یاخته عصبی حساس به رنگ است، یاخته‌هایی که به نورهای سرخ ، سبز و آبی حساسند. این یاخته‌ها ، یاخته‌های استوانه‌ای و مخروطی هستند. وقتی که همه رنگهای طیفی به یک نسبت وجود دارند، یعنی چنانچه در نور خورشید هستند، که در طی صدها میلیون سال تکامل موجودات زنده ، عضو باصره تحت تاثیر آن تکامل یاخته است، احساس نور معمولی یا به بیان عادی نور سفید می‌کنیم. وقتی که تنها جزئی از طیف وجود دارد، رنگهای مختلف را احساس می‌کنیم.

روش آزمایش

لامپ رویتر یا هالوژنه را روشن کرده، یک شیار باریک (یا کلیماتور که باریکه نور موازی ایجاد می‌کند) جلوی آن قرار می‌دهیم، تا یک باریکه نور ایجاد گردد. جلوی آن پرتو حاصل ، یک عدسی محدب قرار داده تا نور را روی منشوری که روی صفحه دوار قرار دارد کانونی کند. نور حاصل به یکی از یالهای منشور متوازی‌الاضلاع تابیده و از یال دیگر آن خارج و در عین حال ، تجزیه نیز می‌شود. در نزدیکی منشور ، وقتی طیفها خارج می‌شوند بسیار به یکدیگر نزدیک و گاهی چسبیده هستند.

به همین دلیل ، صفحه تصویر را در فاصله نسبتا دوری از سیستم ، تحت زاویه‌ای قرار دهید تا طیفهای حاصل به وضوح دیده شوند و از یکدیگر باز شده باشند. صفحه تصویر را حول محورش چرخانده تا کمترین حالت انحراف (زاویه مینیمم انحراف) پیش آید. در این حالت زاویه ورود به یال منشور با زاویه خروج از یال دوم منشور با یکدیگر مساوی هستند. وقتی منشور در حالت مینیمم انحراف باشد، بیشترین پاشندگی نوری را دارد و گستره طیف مرئی (گستره خطی و زاویه‌ای) را اندازه‌گیری کرده، متوجه خواهیم شد بیشترین بازه زاویه‌ای و خطی مربوط به حالتی است که منشور در کمترین انحراف بسر می‌برد.

سپس برای اینکه متوجه شوید همانطور که می‌توان نور سفید را تجزیه نمود، با یک عدسی همگرا می‌توان طیفهای نور سفید را دوباره در یکجا (صفحه تصویر) جمع کرد و تصویر باریکه نور سفید تابیده شده به منشور را ایجاد نمود. فقط کافی است یک عدسی با فاصله کانونی مناسب بین صفحه دوار مدرج حاوی منشور و صفحه تصویر قرار دهید و باریکه نور سفید را روی پرده مشاهده نمایید. از لوازم اپتیکی مانند توری پراش و دیوپتر ذوزنقه‌ای نیز می‌توان بجای منشور در آزمایش فوق استفاده کرد.

نتایج آزمایش

1. نور سفید مخلوطی از نورهای رنگی است.
   
   
2. پرتوهای به رنگهای مختلف ، دارای قابلیت انکسار مختلف هستند.
   
   
3. یک ماده شفاف رنگی ، فقط نور همرنگ خود را عبور می‌دهد.
   
   
4. یافتن و تولید رنگهای مکمل طیفها.
   
   
5. توجیه پدیده رنگین کمان:

این تجلی زیبای رنگها وقتی در آسمان پدید می‌آید که خورشید به سمتی می‌درخشد، که ابرهای سنگین بارانی آسمان را پوشانیده است. در واقع اشعه خورشید بوسیله قطره‌های باران منکسر می‌شوند و به دنبال این انکسار ، یک انعکاس یا بازتاب درونی و سپس یک انکسار برای خروج از قطره‌های باران صورت می‌گیرد. نتیجه اینکه ، رنگهای مختلف نور ، در هنگام خروج از هم باز و گسترده می‌شوند و چشم ناظری که بر روی زمین پشت به خورشید ایستاده است، رنگهای مختلف را از جهات مختلف آسمان مشاهده می‌کند.

به سوالات زیر پاسخ دهید.

1. آیا شدت نور طیفهای ایجاد شده ، همه یکسان هستند؟ چرا؟
2. آیا طیفهای ایجاد شده را می‌توان دوباره تجزیه کرد؟ چرا؟
3. آیا طیفهای مکمل هر رنگ را می‌توان دوباره تجزیه کرد؟
   
   
4. دلیل مشاهده رنگهای مختلف بر روی حبابهای حاصل از حل شدن مواد شوینده در آب چیست؟
5. چرا مخلوط آب و نفت را رنگی می‌بینیم؟
   
   
6. آیا صبح دم حاله رنگین کمانی اطراف لامپ حیاط منزل را مشاهده کرده‌اید؟ این نشان دهنده چه پدیده‌ای است؟

ماهیت ذر‌ه‌ای

اسحاق نیوتن (Isaac Newton) در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً اسحاق نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیطهای همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند که این امر را قانون می‌نامند و یکی از مثالهای خوب برای توضیح آن بوجود آمدن سایه است.

ماهیت موجی

همزمان با نیوتن، کریسیتان هویگنس (Christiaan Huygens) (1695-1629) طرفدار توضیح دیگری بود که در آن حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه‌های نوری به تمام جهات پخش می‌شود به خاطر داشته باشید که هویگنس با بکار بردن امواج اصلی و موجکهای ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می‌شوند پدیده‌های تداخلی هستند مانند به وجود آمدن فریزهای روشن و تاریک در اثر بازتاب نور از لایه‌های نازک و یا پراش نور در اطراف مانع.

ماهیت الکترومغناطیس

بیشتر به خاطر نبوغ جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) (1879-1831) است که ما امروزه می‌دانیم نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که معمولاً به عنوان امواج الکترومغناطیسی توصیف می‌شود. گسترده کامل امواج الکترومغناطیسی شامل: موج رادیویی ، تابش فرو سرخ ، نور مرئی از قرمز تا بنفش ، تابش فرابنفش ، اشعه ایکس و اشعه گاما می‌باشد.

ماهیت کوانتومی نور

طبق نظریه مکانیک کوانتومی نور، که در دو دهه اول قرن بیستم بوسیله پلانک و آلبرت انیشتین و بور برای اولین بار پیشنهاد شد، انرژی الکترومغناطیسی کوانتیده است، یعنی جذب یا نشر انرژی میدان الکترومغناطیسی به مقادیر گسسته‌ای به نام "فوتون" انجام می‌گیرد.

نظریه مکملی

نظریه جدید نور شامل اصولی از تعاریف نیوتون و هویگنس است. بنابراین گفته می‌شود که نور خاصیت دو گانه‌ای دارد، برخی از پدیده‌ها مثل تداخل و پراش خاصیت موجی آنرا نشان می‌دهد و برخی دیگر مانند پدیده فوتوالکتریک ، پدیده کامپتون و ... با خاصیت ذره‌ای نور قابل توضیح هستند.

تعریف واقعی نور چیست؟

تعریف دقیقی برای نور نداریم، جسم شناخته شده یا مدل مشخص که شبیه آن باشد وجود ندارد. ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد. نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی باهم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام می‌کنند که تمام پدیده‌های نوری را می‌کنند. نظریه ماکسول درباره انتشار نور و بحث می‌کند در حالی که نظریه کوانتومی برهمکنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح می‌دهد ازآمیختن این دو نظریه ، نظریه جامعی که کوانتوم الکترودینامیک نام دارد، شکل می‌گیرد. چون نظریه‌های الکترومغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می‌کنند منصفانه می‌توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. طبیعت نور کاملا شناخته شده است، اما باز هم این پرسش هست که واقعیت نور چیست؟

گسترده طول موجی نور

نور گستره طول موجی وسیعی دارد چون با نور مرئی کار می‌کنیم اغلب تصاویر و محاسبات در این ناحیه از گستره الکترومغناطیسی انجام می‌گیرد اما روشهای مورد بحث می‌تواند در تمام ناحیه الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند. ناحیه نور مرئی بر حسب طول موج از حدود 400 نانومتر (آبی) تا 700 نانومتر (قرمز) گسترده است که در وسط آن طول موج 555 نانومتر (نور زرد) که چشم انسان بیشترین حساسیت را نسبت به آن دارد یک ناحیه پیوسته که ناحیه مرئی را در بر می‌گیرد و تا فرو سرخ دور گسترش می‌یابد.

خواص نور و نحوه تولید

سرعت نور در محیطهای مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء و یا بطور تقریبی در هوا است، در داخل ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته است. بوسیله کاواک جسم سیاه می‌توان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موجهای مختلف مشاهده شده اما مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موجها می‌باشد. تک طول موجها آنرا بوسیله لامپهای تخلیه الکتریکی که معرف طیفهای اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده می‌توان تولید کرد.