امواج صوتی در گازها (Sound Waves in Gases)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج صوتی در گازها (Sound Waves in Gases) :
امواج صوتی در گازها فقط به صورت طولی (فشاری) منتشر می شوند. در گازها، امواج صوتی به صورت نواحی متناوب تراکم (فشار بیشتر) و انبساط (فشار کمتر) منتشر می شوند. مولکول های گاز در جهت انتشار موج به جلو و عقب نوسان می کنند. از آنجا که گازها بسیار تراکم پذیر هستند، سرعت صوت در آنها نسبت به مایعات و جامدات کمتر است. سرعت صوت در گازها به دما، فشار، جرم مولی و نسبت ظرفیت های گرمایی گاز بستگی دارد.
سرعت صوت در یک گاز ایده آل از رابطه زیر به دست می آید:
\[ v = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}} \]که در آن
\[ \gamma = C_p/C_v \](گاما) نسبت ظرفیت های گرمایی در فشار ثابت و حجم ثابت است،
\[ R \]ثابت جهانی گازها (۸.۳۱۴ J/mol.K)،
\[ T \]دمای مطلق بر حسب کلوین، و
\[ M \]جرم مولی گاز بر حسب kg/mol است. این رابطه نشان می دهد که سرعت صوت در گازها با افزایش دما افزایش می یابد، با افزایش جرم مولی کاهش می یابد، و به فشار (در یک دمای ثابت) بستگی ندارد (زیرا با افزایش فشار، چگالی نیز متناسب افزایش می یابد).
برای هوای خشک در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد (۲۹۳ کلوین)، با
\[ \gamma \approx 1.4 \]و
\[ M \approx 0.029 \]kg/mol، سرعت صوت حدود ۳۴۳ متر بر ثانیه است. با افزایش دما به ۳۰ درجه، سرعت به حدود ۳۴۹ متر بر ثانیه می رسد. رطوبت هوا نیز اندکی سرعت صوت را افزایش می دهد (حدود ۱-۲ متر بر ثانیه). در گازهای سبک تر مانند هلیوم (M کوچکتر)، سرعت صوت بسیار بیشتر است (حدود ۱۰۰۰ متر بر ثانیه) که دلیل تغییر صدا (صدای نازک) پس از استنشاق هلیوم است.
فرآیند انتشار صوت در گازها تقریبا بی دررو (آدیاباتیک) است، یعنی تراکم و انبساط آنقدر سریع رخ می دهد که انتقال حرارت بین نواحی گرم (تراکم) و سرد (انبساط) ناچیز است. به همین دلیل است که در رابطه سرعت،
\[ \gamma \]ظاهر می شود. اگر فرآیند همدما (ایزوترمال) بود، سرعت برابر
\[ v = \sqrt{RT/M} \]می شد که حدود ۱۸٪ کمتر از مقدار واقعی است. این نکته تاریخی اهمیت دارد و اولین بار توسط نیوتن اشتباه محاسبه شد و بعدها لاپلاس آن را تصحیح کرد.
تضعیف (میرایی) صوت در گازها: امواج صوتی در گازها به تدریج ضعیف می شوند. علل اصلی تضعیف عبارتند از: ویسکوزیته (اصطکاک داخلی)، هدایت حرارتی (انتقال حرارت بین نواحی تراکم و انبساط)، و جذب مولکولی (تبدیل انرژی صوتی به انرژی درونی مولکول ها از طریق برانگیختگی چرخشی و ارتعاشی). تضعیف به شدت به فرکانس و رطوبت بستگی دارد. در فرکانس های بالا، تضعیف بسیار بیشتر است، به همین دلیل صداهای دور (مانند رعد) بم تر به گوش می رسند (فرکانس های بالا زودتر تضعیف می شوند).
کاربردها: درک رفتار صوت در گازها برای طراحی سیستم های صوتی (بلندگوها، میکروفون ها)، پیش بینی نحوه انتشار آلودگی صوتی در جو، و محاسبه عملکرد سازهای بادی ضروری است. همچنین در اندازه گیری های صنعتی، از امواج صوتی برای تعیین ترکیب گازها (با اندازه گیری سرعت)، دما، و جریان استفاده می شود. در هواشناسی، از دما-صوت سنج ها (Sodar) برای اندازه گیری پروفیل دما و باد در لایه های پایینی جو استفاده می شود.
