مفاهیم کلیدی: موسیقی، صدا، فیزیک، موج صوتي
مشاهده علمي ۱۵۲
مقدمه:
آیا تا به حال توانسته‌اید با دمیدن بر در یک بطری صدایی دلپذیر تولید کنید؟ فکر می‌کنید این صدا چگونه با دمیدن هوا تولید می‌شود؟ بطری در واقع یک ستون هوای با انتهای بسته است. کلارینت مثالی از آلات موسیقی است که مشابه با این بطری کار می‌کنند. در این فعالیت علمی، شما با استفاده از بطری بررسی خواهید کرد که چگونه طول یک ستون هوای انتها بسته بر صدای تولید شده توسط آن تأثیر می‌گذارد.
پیش‌زمینه:
برخی از آلات موسیقی با ارتعاش رشته‌ها تولید صدا می‌کنند و برخی دیگر توسط ستون‌های هوا. در این فعالیت علمی شما با نمونه‌ای ساده از ابزار موسیقی دارای ستون هوا کار خواهید کرد: یک بطری با سر نازک که بخشی از آن پر از آب است، این بطری‌ها به عنوان ستون‌های هوای انتها بسته عمل می‌کنند که اساساً لوله‌هایی با یک انتهای باز و یک انتهای بسته (یا پوشیده شده) هستند.
آلات موسیقی چگونه تولید صدا می‌کنند؟ همه‌ی صداها توسط ارتعاشاتی که در هوا جابه‌جا می‌شوند به وجود می‌آیند. به طور دقیق، این ارتعاشات سبب ایجاد الگویی از فشار هوا می‌شود که به صورت موج حرکت می‌کند و در اثر آن هوا دچار افزایش فشار و سپس کاهش فشار می‌شود. این نشان می‌دهد که چگونه صوت یک موج است. نوع صدایی که می‌شنویم وابسته به فرکانس موج صوتی، یعنی سرعت افزایش فشار هوا و به دنبالش کاهش فشار آن است. صداهای بالاتر فرکانس بیشتری دارند.
مواد و وسایل مورد نیاز:
سه بطری سر باریک یکسان (از جنس شیشه یا پلاستیک)
ماژیک دائمی
خط‌کش
آب
آماده‌سازی:
هر سه بطری در ابتدا باید تمیز و خالی از آب باشند.
سعی کنید با دمیدن بر این بطری‌ها صدا تولید کنید. برای این کار بطری را طوری نگه دارید که عمود بر صورتتان باشد. لب پایین خود را در تماس با لبه‌ی بطری قرار دهید و لب بالای خود را غنچه کنید و به آرامی روی در بطری بدمید. اگر زاویه و دمش باد مناسب باشد، صدایی از بطری خواهید شنید. صدای تولید شده چگونه است؟ اگر نمی‌توانید با دمیدن روی در این بطری‌ها صدا تولید کنید، از بطری‌های دیگری برای انجام آزمایش استفاده کنید.
روش کار:
ارتفاع یکی از بطری‌ها را اندازه بگیرید. با خط‌کش و ماژیک دائمی علامتی کوچک درست در وسط بطری (نصف ارتفاع آن) بزنید. سپس تا این نقطه در بطری آب بریزید.
روی بطری دوم ارتفاع سه چهارم را علامت بزنید و تا این نقطه داخل بطری آب بریزید.
بطری سوم را خالی بگذارید.
مانند قبل روی در بطری خالی بدمید.
مطمئن شوید که می‌توانید با دمیدن صدایی مشخص و واضح تولید کنید. حال روی در بطری اول که تا نیمه پر از آب است بدمید. صدای تولید شده توسط این بطری چه تفاوتی با صدای تولید شده از بطری خالی دارد؟ فرکانس این صدا از صدای بطری خالی بالاتر است یا پایین‌تر؟
سپس روی در بطری دوم که سه چهارم آن پر از آب است بدمید. ممکن است تولید صدا با این بطری کمی سخت باشد و نیاز به تلاش بیشتر داشته باشد. صدای تولید شده توسط این بطری چه تفاوتی با صدای تولید شده از دو بطری دیگر دارد؟
به طور کلی، صداهای تولید شده از این سه بطری چگونه هستند؟ به نظر شما چرا نتایج این گونه است؟
آزمایش‌های تکمیلی:
اگر دسترسی به پیانو، ارگ یا هر ساز موسیقی دیگر دارید می‌توانید نت‌های تولید شده توسط بطری‌ها را با نت‌های سازهای واقعی مقایسه کنید. همچنین می‌توانید به تدریج یک بطری را با آب پر کنید و تغییر صدای تولید شده توسط بطری با پر شدن آن را بررسی کنید، سپس این صداها را با صدای سازهای واقعی مقایسه کنید. آیا می‌توانید رابطه‌ای میان سه نت تولید شده توسط بطری‌ها در این آزمایش بیابید؟
این فعالیت را تکرار کنید و این بار از بطری‌هایی در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف استفاده کنید. آیا شکل و اندازه‌ی بطری تأثیری بر صدای تولید شده توسط آن دارد؟ ارتفاع و میزان پر بودن بطری از آب چگونه بر صدای تولید شده موثر است؟
اگر به بطری‌های شیشه‌ای با سر باریک دسترسی دارید، سعی کنید به جای دمیدن روی در آنها به آرامی با یک وسیله‌ی چوبی (در پایین خطی که آب تا آنجا پر شده است) ضربه بزنید. صدای تولید شده از بطری در این حالت با تغییر ارتفاع آب چگونه عوض می‌شود؟ آیا می‌توانید دلیل این مشاهدات را توضیح دهید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا صدای تولید شده توسط بطری خالی دارای پایین‌ترین فرکانس است؟ آیا بطری پر شده از آب تا سه چهارم ارتفاع صدایی با بالاترین فرکانس در این بین را تولید می‌کند؟
در حین نواختن یک ساز موسیقی دارای ستون هوای انتها بسته مانند بطری‌ها در این فعالیت علمی، صدای تولید شده وابسته به ارتفاع ستون هوا است. به بیان دیگر صدای تولیدی به این بستگی دارد که چه میزان آب در بطری ریخته شده است و چه قدر از بطری خالی است. زیرا نوع صدای تولید شده که به گوش ما می‌رسد به فرکانس موجی که در هوای بطری ایجاد می‌شود مرتبط است. هر چه ستون هوا کوتاه‌تر باشد (یعنی ارتفاع قسمت خالی در بطری کمتر باشد) فرکانس تولید شده بیشتر است و در نتیجه صدایی که می‌شنویم بالاتر است. به همین دلیل بطری خالی موج صوتی با فرکانس کمتر از سایر بطری‌ها و بطری تقریباً پر (سه چهارم) موج صوتی با فرکانس بیشتر از همه تولید می‌کنند.
در واقع، چون ارتفاع ستون هوا در بطری نیمه پر نصف ارتفاع ستون هوا در بطری خالی است، فرکانس موج تولید شده توسط بطری نیمه پر دو برابر فرکانس تولید شده توسط بطری خالی است. به طور مشابه، بطری که سه چهارم پر شده است موجی با فرکانس دو برابر موج تولیدی بطری نیمه پر ایجاد می‌کند. زمانی که یک موج صوتی فرکانسی دو برابر موج صوتی دیگر داشته باشد، یک اوکتاو از آن فاصله می‌گیرد. (برای مثال نت C میانی در پیانو فرکانس ۲۶۲ هرتز دارد، در حالی که فرکانس C یک اکتاو بالاتر ۵۲۴ هرتز است) این به آن معناست که صدای تولید شده توسط بطری نیمه پر یک اکتاو بالاتر از صدای بطری خالی است و همچنین صدای بطری سه چهارم پر یک اکتاو و بالاتر از صدای بطری نیمه پر است.
منبع:
Sonorous Science
منابع مفيد:
موسيقي با ليوان
نُت‌هاي موسيقي و ني
ضرب آهنگ
موج صوتي
طبل بسازيد
صدا در فضا؟
حنجره
محيط‌هاي آکوستيک در ساختمان‌ها
تقليد صداي زنبور!
آزمايش شنوايي در خانه
گردگيري با صدا
بسامد-ويکيپديا
Closed-end Air Column
Sound
Air Column Resonance-عدد گذاري کنيد