صدا چیست ؟

در فیزیک، صدا عبارت است از ارتعاشی مکانیکی یک فضای گازی، مایع و یا جامد ارتجاعی(elastic). صدا نوعی انرژی مکانیکی محسوب می شود و هنگامی بوجود می آید که ذرات حول مرکز تعادل خود نوسان کنند.

صدا (و به طور کلی همه امواج) با پارامترهایی تعریف و توصیف می شوند که مهم ترین آنها عبارتند از:

طول موج(λ)

فرکانس(f)

دامنه نوسان(d)

سرعت موج(c)

 فرکانس(f): پارامتری است در موج یا هر ذره نوسان کننده و عبارت است از تعداد نوسانی که ذره نوسان کننده در هر ثانیه انجام می دهد و برحسب هرتز[Hz]بیان میشود.

 طول موج(λ): فاصله ذرات هم فاز است، مثلا فاصله ذراتی که همگی در حداکثر دامنه نوسان قرار دارند. طول موج بر حسب متر[m]بیان می شود.

سرعت پیشروی: سرعت انتشار موج در فضا را سرعت موج(c)می گویند و برحسب متر بر ثانیه[m/s]بیان می شود.

دامنه نوسان(d): حداکثر فاصله جابه جایی ذره نوسان کننده از مرکز نوسان است و با واحد متر[m]بیان می شود.

محدود شنوایی انسان(Audible Frequency Range)

گوش انسان می تواند از فرکانس20Hzتا20000Hzرا بشنود و فرکانس های پایین تر از این محدوده و بالاتر از آن، توسط گوش انسان تشخیص داده نمی شوند. در زیر نمودار محدوده فرکانس و شدت صوت قابل شنیدن توسط گوش انسان ارائه شده است.

باندهای اکتاو(Octave Bands)

برای بررسی، ارزیابی، رتبه بندی و دیگر مسائل تکنیکی عایق های صوتی و پدیده های مربوط به صوت، نه تنها سطح توان صوت مهم است بلکه توزیع فرکانسی آن صدا نیز از اهمیت برخوردار است. معمولا یک صدا، از چندین فرکانس مختلف تشکیل شده است. همچنین، تحلیل صدا معمولا در دامنه فرکانسی گسترده­ای (مثلا20Hz-20000Hz) انجام می شود. برای تحلیل فرکانسی، اول باید دامنه فرکانسی را به بازه های کوچک تر تقسیم بندی کرد. این کار می توان به دو روش انجام داد. در روش اول، طول بازه ها برابر است. مثلا بازه ها به طول10Hzهستند و دامنه فرکانسی به بازه های مثلا[0-10Hz], [10-20Hz], … [19990-20000]تقسیم بندی می شود. در روش دوم نسبت عدد بزرگ به کوچک بازه مساوی است و مثلا همیشه عدد بزرگ بازه (حد بالای بازه) 2برابر عدد کوچک بازه(حد پایین بازه) است. مثلا بازه به این صورت تقسیم بندی می شود:[90-180], [180 – 360], [360-720]. اگر نسبت حدبالای بازه به حد پایین بازه 2 باشد، به چنین بازه هایی باندهای اکتاو می گویند. تقسیم بازه فرکانسی به روش باندهای اکتاو، از نظر درک شنوایی انسان بسیار بهتر است. رایج ترین باند اکتاو، اکتاو1/3(یک سوم) است که نسبت حد بالایی به حد پاینیی بازه، جذر مرتبه سوم دو (تقریبا 26/1) می باشد. اکتاوهای1/12و1/24نیز در تحلیل فرکانسی استفاده می شوند.

دسیبل(dB)(Decibel):

دسیبل واحدی است لگاریتمی (با پایه 10) برای نشان دادن نسبت دو مقدار. این نسبت می تواند نسبت دو مقدار فشار، توان، شدت صوت، ولتاژ یا هر پارامتر قابل اندازگیری دیگری باشد. در آکوستیک، سطح فشار صوت (pبا واحد پاسکالPa) و سطح توان صوت (Pبا واحد توانW) و سطح شدت صوت (Iبا واحدW/m2) به صورت دسیبل و نسبت به یک مقدار مرجع تعریف می شوند. در حقیقت هر پارامتر قابل اندازگیری را می توان برحسب دسیبل بیان نمود. برای تعریف دقیق تر دسیبل مراجعه فرمایید به:

توان صوت(Sound Power)

از آنجایی که صوت نوعی موج مکانیکی است و هر موج نیز انرژی محسوب می شود، صوت نیز انرژی مکانیکی بوده که به آن انرژی آکوستیک می گویند. مقدار انرژی خروجی در واحد زمان از منبع صوتی را توان صوتی می نامند و واحد آن وات[W]است. سطح توان صوت(Sound Power Level)با دسیبل نسبت به یک سطح مرجع بیان می شود.

Sound Power Level [dB]

LW = 10 Log (P/P0)   Reference value P0 = 10-12W

مثلا منبع صوتی با شدت توان صوتی1W، سطح توان صوتی دارد برابر با:

LW = 10 * Log (1 / 10-12) = 120 dB

فشار صوت(Sound Pressure)

فشار صوت یا فشار آکوستیک، عبارت است از مجذور میانگین مربعات اختلاف فشار (با فشار اتمسفر) که بوسیله عبور صوت از یک فضا پدید آمده است و با واحد پاسکال اندازگیری می شود. سطح فشار صوت(Sound Pressure Level – SPL)با دسیبل نسبت به یک سطح مرجع بیان می شود.

Sound Pressure Level [dB]

LP = 10 log (p/p0)       Reference value p0 = 20μPa =20*10-6 Pa

سطح فشار صوت(Sound Pressure Level – SPL)

وقتی که صوت منتشر می شود، انرژی آن در طول فاصله کم می شود. برای اندازگیری شدت صوت در فاصله های مختلف، از متغیر سطح فشار صوت استفاده می شود. با فرض اینکه صدا به صورت کروی در فضا منتشر شده و سطح مانعی نیز بین منبع انتشار و محل اندازگیری وجود نداشته باشد، رابطه سطح فشار صوت با سطح توان آن به صورت زیر است:

LP = LW + 10* Log (1/4πr2) (dB)

مثلا منبع صوتی با شدت صوت60dB، در فاصله 20 متری شدت صوتی برابر23dBو در فاصله 40متری شدت صوتی برابر17dBخواهد داشت:

LP(20m) = 60dB + 10Log(1/4π202) = 23dB

LP(40m) = 60dB + 10Log(1/4π402) = 17dB

شدت صوت(Sound Intensity)

شدت صوت به صورت مقدار متوسط انرژی که صوت در واحد سطح در یک راستای مشخص منتقل می کند، تعریف می شود و واحد آن وات بر متر مربع[W/m2]است. سطح شدت صوت با دسیبل نسبت به یک سطح مرجع بیان می شود. سطح مرجع شدت صوتI0به گونه ای تعیین می شود که فشار صوت و شدت صوت در راستای انتشار در یک میدان صوتی، هردو یک مقدار داشته باشند. به همین دلیل بیشتر مواقع به جای فشار صوت از شدت صوت استفاده می شود.

Sound Intensity Level [dB]

LI = 10 Log (I/I0)       Reference value I0 = 10-12 W/m2

جدول زیر شدت صوت تولیدی از منابع صوتی مختلف را برای مقایسه ارائه می کند.

برای بررسی عملکرد عایق کاری صوتی از مدل ها و ضرایب مختلفی استفاده می شود. معروف ترین و پرکاربردترین این ضرایب عبارتند از:ضریب کاهش صوت نرماله شده(Rw)وکلاس انتقال صوت(Sound Transmission Class)که دومی مخصوص استانداردهای آمریکا می باشد. (برای آشنایی بیشتر با این ضرایب به بخشاصول عایق کاری صوتی – معیارهای اندازگیریمراجعه فرمایید.)

سرعت صوت

سرعت موج در هوا مستقل از فرکانس بوده و تنها تابعی از دمای محیط است:

c = 331.4+0.607t

کهtدرجه حرارت هوا برحسب درجه سانتی گراد است.

در هوای معمولی (حدودا200C) سرعت صوت تقریبا ثابت بوده و برابر است با تقریباc ≈ 340m/s.

در مواد دیگر و در دمای200Cسرعت صوت متغیر است مثلا در:

شیشه:5500-6000m/s

آلومینیوم/ فولاد:5100m/s

چوب:3400-4500 m/s

سیمان / بتون:4000m/s

آجر:3600m/s

یخ:3100m/s

آب:1500m/s

پشم های معدنی:180m/s

همواره بین سرعت، فرکانس و طول موج رابطه ای برقرار است:c = f * λ

از آنجایی که سرعت صوت تنها تابعی از دمای هوا (یا فضایی که در آن منتشر میشود) میباشد، در دمای ثابت، سرعت آن ثابت خواهد بود. بنابراین با افزایش فرکانس در سرعت مشخص، طول موج کم می شود و بلعکس. به عبارت دیگر، همواره فرکانس و طول موج نسبت عکس با یکدیگر دارند.

مکانیزم های انتقال صوت

معمولا دو نوع مکانیزم انتقال صوت وجود دارد:

1- هوابرد(Airborne)

2- ضربه(Impact)

در مکانیزم هوابرد، آلودگی صوتی مستقیم از طریق هوا از منبع صوتی، منتقل می شود مانند سروصدای خودروهای درون خیابان، تجهیزات مکانیکی، سیستم های تهویه، سیستم سینمای خانگی همسایه مجاور. در مکانیزم ضربه، آلودگی صوتی از درون خود اجزاء سازه منتقل می شوند، مانند صدای قدم زدن افراد واحدهای بالاسر، ضربه به دیوار مجاور، بستن درب. به مکانیزم انتقال صوت ضربه، صوت سازه برد(Structure Borne Sound)نیز گفته می شود. برای انجام عایق کاری صوتی، می بایست تمامی مکانیزم های انتقال صوت مد نظر قرار گیرند.درها، پنجره ها و دریچه­ ها برای جلوگیری از آلودگی صوتی محیطی(Ambient)عایق شده و خود اجزاء ساختمان نیز، دارای لایه های عایق های صوتی باشند. خوشبختانه، بسیاری از موادی که در عایق کاری حرارتی استفاده می شوند و مانند پشم سنگ و پشم شیشه، به عنوان عایق صوتی نیز بکار می روند و نیاز به افزودن لایه های مجزا در اجزاء ساختمان نیست. اگرچه عایق هایی نیز وجود دارند که مخصوص صوت بوده و یا خود دیوارها به گونه ای طراحی می شوند (مانند دیوارهای دوجداره به همراه فنر) که خود عایق صوتی محسوب می شوند. 

جذب صدا و کاهش صدا(Sound Absorption & Sound Reduction)

باید توجه شود که عایق صوتی و جاذب صوتی مفاهیم متفاوتی هستند. منظور از عایق صوتی، ماده ای است که انتقال صوت را در فضا کاهش می دهد درحالی که منظور از جاذب صوتی، ماده ای است که از انعکاس صوت از سطوح مختلف جلوگیری می کند. وقتی صدا به یک مانع برخورد می کند، مانند هر موج دیگری، قسمتی از آن انعکاس یافته و قسمت دیگر درون مانع منتشر می گردد. موجی که از درون مانع منتشر می شود، قسمتی از آن جذب می شود به خاصیت میرایی(damping)ماده بستگی دارد و قسمت دیگر از مانع عبور می کند و دوباره در فضا منتشر می شود.

به عبارت ساده:                   II = IR + IA + Itr

Ii: شدت صوت اولیه موج برخورد کننده به دیوار        

 Ir: شدت صوت موج منعکس شده

Ia: شدت صوت موج میرا شده

Itr: شدت صوت موج منتشر شده از درون مانع

معمولا برای ارزیابی یک عایق صوتی، قدرت آن را در کاهش شدت صوت می سنجند. منابع صوتی مختلف، میزان شدت صوت تولیدی متفاوت دارند.

ضریب جذب صوت(Absorption Coefficient)

ضریب جذب صوت، خاصیتی از ماده است که نشان می دهد ماده می تواند چقدر از موج منتشر شده را جذب کند. این ضریب همواره عددی بین صفر و یک است به طوری که عدد یک بیانگر جذب 100% و عدد صفر جذب صفر درصد را نشان می دهد. عدد بزرگ تر ضریب جذب صوت همیشه بیان گر بهتر بودن ماده برای عایق کاری آکوستیک نیست و این ضریب برزمان طنیناثر می گذارد. عدد مناسب ضریب جذب صوت باید متناسب با کاربر سازه و اتاق مورد نظر تعیین شود.

میرایی(Attenuation)

وقتی صوت از درون یک محیط (چه سیال و چه جامد) منتشر می شود انرژی آن تقلیل می یابد. علت این پدیده به دو دلیل است: اول انکسار و پخش شدن موج و دوم جذب. ترکیب اثرات انکسار و جذب پدیده میراشدن موج را بوجود می آورد.

نرخ کاهش(Decay Rate)

عبارت است از نرخ کاهش شدت صوت یا میرایی صدا پس از خاموش شدن منبع صوتی در اتاق. در یک اتاق با دمای ثابت، نرخ کاهش ثابت بوده و متناسب بازمان طنین(Reverberation Time)اندازگیری می شود.

فرکانس بحرانی(Critical Frequency)

در عایق کاری آکوستیک ساختمان ها، فرکانس بحرانی وقتی رخ می دهد که سرعت صوت در هوا برابر با سرعت انتشار امواج در پارتیشن یا پنل شود. در فرکانس بحرانی، مکانیزم اصلی انتشار صوت درون پنل تغییر می کند و ضریب کاهش صوت پنل به طور چشمگیری کم می شود. فرکانس بحرانی به نوع ماده عایق و ضخامت پنل بستگی دارد.

زمان طنین یا تناخنش(Reverberation Time)

زمان طنین عبارت است از مدت زمانی که طول می کشد تا شدت صدا، بعد از خاموش شدن کامل منبع صوتی، به مقدار60dBکاسته شود.