صوت و فواید و مضار آن

صوت در نتیجه‌ی ارتعاش مولکول‌های هوا به وجود می‌آید. در واقع چون هوا یک سیال و نیز یک گاز است تمایل دارد که مولکول‌های خود را به گونه‌ای نوزیع کند که فشار در تمام نقاط درون محفظه‌ای که در آن قرار گرفته است یکسان باشد. بنا بر این اگر به گونه‌ای اجباری، با جمع کردن قسمتی از مولکول‌ها در نقطه‌ای چگالی مولکول‌ها را در آن نقطه در قیاس با دیگر نقاط به طور موقتی افزایش دهیم، یا به عبارتی فشار را در آن نقطه به طور موضعی بیش از فشار در دیگر نقاط گردانیم، پس از برداشتن عامل زوری، مولکول‌ها در آن نقطه به گونه‌ای حرکت می‌کنند که این فشار اضافه را کم کنند. این حرکت آنها باعث کم کردن فشار در این نقطه، اما در عوض، ازدیاد موقتی فشار در نقطه‌ی مقابلش می‌شود، و باز فشارِ افزایش یافته در نقطه‌ی مقابل به همین گونه عمل می‌کند. این حرکت در گاز به همین صورت، لایه به لایه یا در واقع مولکول به مولکول، گسترش می‌یابد و همان چیزی است که به آن حرکت موج صوتی می‌گوییم. پس صدا یا صوت درواقع از تغییر فشار مقطعی و نقطه‌ای درون گاز (یا جامد یا مایع) و گسترش آن به وجود می‌آید، یا به عبارتی صوت نتیجه‌ی حرکت نوسانی مولکول‌های محیط حامل موج است.
چنین نوسان‌هایی وقتی به گوش می‌رسند پرده‌ی نازک درون آن را مرتعش و از آن‌جا عصب‌های مربوطه را تحریک می‌کنند تا عمل شنوایی صورت گیرد. نوسان آنها به جای مرتعش کردن پرده‌ی گوش می‌تواند پرده‌ی فلزی نازک یک میکروفون را مرتعش کند تا سیم پیچ کوچک سوار شده روی پرده، در میدان مغناطیسی یک آهنربایِ ثابت تعبیه شده، مرتعش شود و متناسب با سرعت و جهت ارتعاش، جریان‌های متغیر الکتریکی هماهنگ با تغییرات صوت ایجاد کند تا سپس این جریان‌ها به طریق مشابه اما معکوس، در بلندگو پرده‌ای را مرتعش و صوت بازسازی شده و احیاناً بلندتری را ایجاد نمایند. به نظر می‌رسد از دیدگاه علم فیزیک، برای ارزیابی قدرت یک صدا کافی است بتوانیم با فشار سنجی بسیار دقیق و حساس اختلاف فشارهای نقطه‌ای فوق الذکر موجود بین تراکم‌ها و انبساط‌هایی که موج صوتی برای انتشار خود ایجاد می‌کند را اندازه گیری کنیم. اگر چنین کاری صورت گیرد در واقع توانسته‌ایم صدا را به صورت کمّی بر حسب فشار آن اندازه گیری کنیم که نهایتاً موجد آن انرژی‌ای است که ما را قادر به شنیدن می‌نماید. انجام چنین کاری برای سنجش قدرت صوت مشابه با کاری است که ما با اندازه گیری دما برای ارزیابی انرژی گرمایی ماده انجام می‌دهیم. اما انجام این کار، به راحتیِ عملیات دماسنجی نیست. در واقع آن‌چه بلندی صدا می‌نامیم و گوش ما به آن حساس است تناسبی خطی با انرژی صدا ندارد. می‌توان گفت اولاً واکنش انسان به صدا بیشتر با لگاریتم انرژی صدا تناسب دارد، به این معنا که مثلاً اگر قصد داشته باشیم بلندی یک صدا را به نصف تقلیل دهیم انرژی صدا را باید نود درصد کم کنیم. و ثانیاً، علاوه بر این مسئله، باید در نظر داشته باشیم که تنها درصد کوچکی از انرژیِ عاملِ به وجود آورنده‌ی صدا به انرژی صدا یا صوتی که منتشر می‌کند تبدیل می‌شود. مثلاً تنها در حدود یک هزارم از انرژی مته‌های بادی و یا صد هزارم از انرژی موتور هواپیما به انرژی صوتی که منتشر می‌کنند تبدیل می‌شود. بنا بر این، این دو عاملِ کاهش دهنده، که در واقع باید در هم ضرب شوند، اندازه گیری اختلاف فشار موضعی که بر اثر موج صوتی ایجاد می‌شود را بسیار مشکل می‌سازند.
سروصداهای ناخواسته یا ناموزون، آزار دهنده و در تضاد با بهداشت و سلامتی انسان می‌باشند. از همین رو از آنها به عنوان آلودگی (صوتی) نام برده می‌شود. دولت‌ها صاحبان صنایع و حِرَف را در مراکز مختلف ملزم می‌نمایند که سروصداهای مضر دستگاه‌های خود را به نحو مقتضی کاهش داده و خفه نمایند. از همین رو، بی‌صدا یا کم صدا بودن وسایل و محصولات تولیدی صنایع مختلف جزو یکی از مزایای محصول عنوان می‌شود. در بسیاری از موارد، قانون الزام می‌دارد که صدای محصول تولیدی بر حسب استانداردهای تعیین شده نباید از حد مشخص شده‌ای تجاوز کند. بسیاری از صاحبان صنایع علاوه بر رعایت موارد مقتضی در طراحی دستگاه‌ها یا محصولات خود، از عایق بندی وسیله یا حتی اتاق و محل کار برای کاهش انتشار صداهای ناخواسته‌ی ایجاد شده که عموماً نامطلوب می‌باشند استفاده می‌کنند، و حتی گاه بنا بر ضرورت، صوتِ ایجاد شده را از مسیرهای پیچ در پیچ عبور می‌دهند تا انرژی آن در خروج به نحو قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد (این همان کاری است که در صدا خفه کن‌ها صورت می‌گیرد).
بعضاً اِشکال بزرگ برای رفع آلودگی صوتی، قبل از چاره جویی در مورد صوت‌های ناخواسته‌ی منتشر شده، یافتن منابع ایجاد صوت است. این امر به ویژه در کارگاه‌ها و کارخانه‌هایی که منابع فراوانی برای ایجاد صوت‌های ناخواسته در آنها وجود دارد حائز اهمیت است. مهندسان در چاره جویی برای این امر از روش اندازه گیری شدت صوت با استفاده از شدت سنج صوتی استفاده می‌کنند. با انجام این روش، بدون نیاز به وسایل ویژه و تنها با تهیه‌ی نقشه‌ی تفصیلیِ شدت صوت در یک محل، قادرند، همانند نمودارهای نقاط هم‌فشار در علم هواشناسی، صوت‌ها را از روی شدت آنها ردگیری نمایند تا منابع تولید صوت را بیابند. این روش نه تنها برای کارخانه‌های پر سروصدا مناسب است بلکه در هر جایی که لازم است منابع ایجاد صدا جهت چاره جویی برای رفع آلودگی صوتی یا برای کم کردن سر و صدا پیدا شوند به کار می‌آید از جمله در طراحی و تولید اتوموبیل‌ها یا ساختمان‌های مسکونی.
از آنجا که شنوایی ما برای فرکانس‌های بین یک و دو کیلو هرتز بیشترین حساسیت را دارد باید مراقبت ویژه‌ای به عمل آید که صوت‌های دارای این فرکانس از دامنه‌ی ارتعاش، یا به سخنی دیگر از انرژی بیش از حد تحمل برخوردار نباشند وگرنه می‌توانند موجب بروز ضایعات جبران ناپذیری گردند. کسانی که میدان‌های جنگی را تجربه کرده‌اند می‌دانند که به هنگام شلیک یک توپ اگر در نزدیکی آن قرار داشته باشیم می‌توانیم وزش باد ایجاد شده توسط صوت شدید آن را روی بدن خود احساس کنیم. در این حال تغییرات فشار هوای ایجاد شده توسط صدای شلیک چنان شدید است که فشار باد ناشی از آن چیزهای سبک موجود در اطراف محل شلیک را با خود می‌برد. این ارتعاشات ناشی از تغییرات فشار، هنگامی که شدید و مداوم و نزدیک باشند اثر نامطلوبی بر روی سلول‌های عصبی انسان خواهند گذاشت که از آن به موج گرفتگی تعبیر می‌شود.
صوت، یک حرکت موجیِ طولیِ منتشر شده بر روی مولکول‌های حامل موج است.‌ از آن‌جا که در صوت، امتداد نوسان مولکول‌ها همراستا با امتداد انتشار موج است این حرکت، طولی محسوب می‌شود، در حالی که مثلاً در امواج الکترومغناطیسی امتداد ارتعاشات موجدِ موج عمود بر امتداد انتشار موج است و از این رو این موج، عرضی نامیده می‌شود. موج صوتی برای انتشار خود نیاز به محیطی مادی دارد. البته اعتقاد فیزیک‌دانان کلاسیک از قدیم بر این بوده است که هر نوع موجی برای انتشار نیاز به حامل مادی دارد و از آن‌جا که به ماهیت موجی بودن نور و امواج الکترومغناطیسی پی برده بودند برای انتشار آنها نیز قائل به وجود محیطی مادی ولی ظریف و نافذ بودند که نام اتر را به آن داده بودند. سپس اما نظریه‌ی اینشتین با این ایده به مخالفت برخاست و استدلال کرد که امواج الکترومغناطیسی برای انتشارِ خود نیاز به محیطی مادی یا حامل موج ندارند. منازعات علمی بر سر این موضوع هنوز نیز کمابیش ادامه دارد، اما قدر مسلم این است که صوت به عنوان یک موج مکانیکی برای انتشار خود حتماً به یک محیط مادی مثل هوا یا جامدات یا مایعات نیاز دارد و در خلأ قابل انتشار نیست. این امر را می‌توان مستقیماً نیز آزمایش کرد. کافی است یک ساعت شماته دار قدیمی را در یک محفظه‌ی خلأ که دارای پنجره‌ای شیشه‌ای است یا خود شیشه‌ای است قرار دهید و در حالی که ساعت را به گونه‌ای تنظیم کرده‌اید که در حال زنگ زدن است و شما صدای زنگ آن را می‌شنوید هوای داخل محفظه را توسط یک پمپ خلأ تخلیه کنید. مشاهده خواهید کرد که هرچه هوای داخل محفظه بیشتر خالی شود صدای زنگ ساعت ضعیف‌تر و حتی نهایتاً قطع می‌شود در حالی که مشاهده می‌کنید که چکش زنگ ساعت هم‌چنان به زنگوله‌های ساعت برخورد می‌نماید.
صوت همچون هر صورت دیگری از موج، هنگامی که در چشمه‌ی ایجاد کننده‌ی خود به وجود آید در محیط حامل موج (هوا) به همه طرف (به صورت کروی) منتشر می‌شود. انرژی‌ای که موجد موج صوتی در یک نقطه بوده است در انتشار موج به صورت کروی در اطراف نقطه‌ی انتشار شروع به گسترش در محیط حامل موج می‌کند، یعنی انرژی ثابت موج روی یک کره که به تدریج (بر حسب سرعت پیش‌روی موج صوتی) بزرگ می‌شود پخش می‌شود. این به این معناست که هر چه از چشمه‌ی ایجاد کننده‌ی صوت دورتر باشیم بخش ناچیزتری از انرژی صوتی را دریافت می‌داریم زیرا کره‌ی مزبور تا به ما برسد بسیار بزرگ‌تر شده است و تنها بخش کوچکی از آن وارد گوش ما می‌شود، درصورتی که اگر به منبع صوت خیلی نزدیک باشیم گوش ما درصد خیلی بیشتری از انرژی کروی (مربوط به کره‌ی کوچک‌تر موجی) را دریافت می‌دارد. به همین خاطر است که گاهی انرژی‌ای که از یک منبع صوتی ضعیف ولی خیلی نزدیک به گوش (مانند یک هدفون) دریافت می‌کنیم بیش از انرژی‌ای است که از یک صوت قوی منتشر از فاصله‌ای نسبتاً دور دریافت می‌کنیم. ممکن است این تفاوت‌ها توسط ما تشخیص داده نشوند اما اثرات سوء خود را در صورت رعایت نکردن نکات ایمنی بر روی سلامتی ما بر جای می‌گذارند.
برای کم کردن آلودگی‌های صوتی، علاوه بر رعایت کردن موارد فوق که مربوط به منابع صوتی بودند همچنین باید به بازتاب و عبور موج از سطوح مربوطه توجه داشته باشیم. استفاده از پنجره‌های دوجداره که در آنها دو جدار شیشه‌ای و هوای بین آنها نه تنها عایق گرما که عایق صوت نیز هستند و نیز استفاده از مواد جاذب صوت در دیواره‌های ساختمان یا دستگاه برای جلوگیری از انعکاس صوت اموری است که رعایت آنها تأثیر به سزائی در رفع آلودگی‌های صوتی و بالتبع سلامت روانی افراد دارد.
شدت سنج‌های صوتی روند تکاملی نسبتاً سریعی را در ساختار خود پشت سر گذاشته‌اند. ضرورت وجود آنها از آن‌جا احساس می‌شد که با استفاده از آنها مهندسان قادر بودند برای تشخیص منابع اصلی سروصدای ناخواسته، توزیع بردارهای شدت صوت را در یک میدان صدا با دقت زیاد رسم کنند و از این طریق محل منبع صدا را پیدا کنند. این شدت سنج‌ها نوع صداها را نیز از هم تفکیک می‌کند و بنا بر این منابع ایجاد آنها را به طور جداگانه شناسایی می‌نماید. چنین اندازه گیری‌هایی در گذشته تنها در آزمایشگاه‌های مجهز و ایزوله شده امکانِ انجام داشت در حالی که اکنون به صورت میدانی این کار توسط شدت سنج‌های ارزان قیمت انجام می‌گیرد. روند تکاملی این شدت سنج‌های قابل اطمینان از دهه‌ 1930 میلادی آغاز شد و تاکنون ادامه دارد. در این روند، در این شدت سنج‌ها از میکروفون‌های فشاری، که در آنها از بلورهای پیزوالکتریک استفاده می‌گردید، و نیز به تدریج از قطعات الکترونیکیِ حالت جامد و صفحه‌های مرتعش به ضخامت تنها چند میکرون و آرایه‌ای از خازن‌های حساس، و نوسانگر و ریزتراشه تا مدارهای دیجیتالی استفاده شده است. شدت سنج‌ها انقلابی را در سنجش صوت به وجود آورده‌اند. اکنون به راحتی با استفاده از آنها می‌توانیم تمام منابع صدا و میزان تأثیر آنها در آلودگی صوتی را در هر وسیله یا جایی پیدا کنیم. به وسیله‌ی آنها می‌توانیم مستقیماً قدرت عایق‌یندی صوتی دیوارها و درها یا بدنه‌های دستگاه‌ها را اندازه گیری کنیم و درزهای نشت صدا را تشخیص دهیم. می‌توانیم راه‌های اصلی رسیدن صوت از چشمه‌های صوتی به یک محلِ مورد نظر را تشخیص دهیم. با این کار، طراحی‌های اولیه را می‌توان اصلاح کرد تا از عایق‌بندی‌ها تنها در جاهای ضروری استفاده شود و از این طریق در هزینه‌ها صرفه جویی شود. میزان انعکاس و جذب انرژی صوتی در اشیاء توسط شدت سنج‌ها به راحتی قابل اندازه گیری است.
مبحث صوت شناسی و اندازه گیری شدت صوت نه تنها از نظر رفع آلودگی‌های صوتی اهمیت دارد بلکه در شاخه‌های مختلف علوم نیز از اهمیت به سزایی برخوردار است، از جمله برای یافتن منابع زیرزمینی، با ارسال و دریافت امواج صوتی و تحلیل کامپبوتری شدت‌های ثبت شده و نتایج قادرند تصاویر سه بعدی منابع زیرزمینی را بازسازی کنند. همچنین در سونوگرافی در علم پزشکی، این امواج صوتی و انعکاس آنهاست که تصویر درون بدن را به ما نشان می‌دهد. از جمله موارد دیگر استفاده از امواج صوتی، به کار گیری آنها برای کاوش بستر دریاها و نیز استفاده از صوت برای کنترل آلودگی‌ها می‌باشد. در همه‌ی این موارد، استفاده از شدت سنج‌های حساس از ضروریات اصلی کار است.
در واقع همان‌طور که توسط امواج الکترومغنایسی با طول موج‌ها و شدت‌های گوناگون احاطه شده‌ایم که تنها اندکی از آنها را قادریم مستقیماً تشخیص دهیم، توسط امواج طولی صوتی با فرکانس‌ها و شدت‌های مختلف نیز احاطه شده‌ایم که بدون وسایل دقیق تنها اندکی از آنها توسط حواس ما مستقیماً قابل درک هستند. می‌توانیم مباحث پیشرفته‌ی مربوط به لرزه‌نگاری و زلزله شناسی را نیز با بحث مربوط به صوت شناسی پیوند دهیم زیرا امواج زلزله نیز از سازوکاری مشابه با امواج صوتی برخوردارند و با تحلیل امواج طبیعی زمین لرزه یا امواجی که به طور تصنعی برای ارزیابی انعکاس یا عبور آنها از درون زمین ایجاد می‌کنیم قادر به تشخیص مواد درون زمین و حالت و طبقه‌بندی و شکل گیری آنها هستیم.