ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
به نظر میرسد که سرو صدای تماشاگران فوتبال کر کننده باشد، اما انرژی صوتی این سروصدا به زحمت میتواند یک تخم مرغ را بپزد. تکنولوژی نوین و قوانین شدیدتر، مهندسان را به مقابله با مسائل سنجش صدا فرا میخوانند. سروصدای همسایههای شلوغ، آزار دهندهای آشناست، اما صدای ماشین آلات سنگین گوشخراشتر است. مهندسان استفادههای سودمندی از صدا میکنند، از کاویدن بستر دریاها گرفته تا مهار آلودگی هوا. اما در مهار آثار زیانبار صوت کمتر موفق بودهاند. یکی از دلایل عمدهی این عدم موفقیت، مشکل تشخیص دقیق منابع صدا، و ارزیابی قدرت صدای تولیدی است. البته این وضع در حال تغییر است. در حال حاضر بسیاری از مهندئسان تلاش میکنند تا صدا را بر حسب فشار آن، یعنی همان انرژیای که ما را قادر به شنیدن میکند، به طور کمّی بسنجند. این کار همانند اندازهگیری گرمای خروجی از یک اجاق برقی بر حسب دمای ایجاد شده در نقاط پیرامون آن است.
سروصدای ناخواسته یا ناموزون، به سلامت جسمی و روانی مردم، به ویژه مردم کشورهای صنعتی، آسیب میرساند. اما کاهش سطح سروصدای ناموزون آسان نیست. عایقکاری دیوارهای خانه، غالباً بهترین راه برای کاستن از صدای موسیقی یا دیگر صداهای خانهی همسایه نیست. با عبور دادن صدا از مسیری پیچیدهتر میتوان از ورود آن به اتاق نشیمن جلوگیری کرد. در کارخانهای شلوغ یا در مجتمعی صنعتی که صدها ماشین، محیطی مملو از صداهای پرانعکاس تولید میکنند تعیین منابع اصلی صدا بسیار مشکل است.
حتی اگر مهندسان بتوانند منبع صدا را شناسایی کنند، خفه کردن آن مستلزم تلاش بسیار زیادی است، زیرا پاسخ یا واکنش انسان به صدا، بیشتر از آن که خطی باشد لگاریتمی است. یعنی اگر بخواهیم بلندی صدایی را که شخص میشنود نصف کنیم، انرژی سروصدای تولید شده را باید به یک دهم برسانیم: این کار دوچندان دشوار است چرا که فقط کسر کوچکی از توان عملی یک منبع سروصدا به صدا تبدیل میشود و کاهش چیزی که خود کوچک است آسان نیست. این کسر برای متههای بادی در حدود یک دهم درصد و برای موتور هواپیماها یک هزارم درصد است. حتی در بلندگوهای بسیار دقیق با طراحی ویژه هم، یک یا دو درصد توان ورودی به سروصدای ناموزون تبدیل میشود. ممکن است تماشاگران فوتبال، گروهی پرسروصدا به نظر آیند، اما طبق محاسبات انجام شده، در یک مسابقهی پایانی در استادیوم ویمبلی لندن، تماشاگران انرژیای کمتر از پنج هزار ژول تولید کردند که به زحمت میتواند تخم مرغی را بپزد.
در سال 1932 میلادی، دانشمندان ابتدا روشی نظری برای سنجش دقیق انرژی صدا ابداع کردند. اما به دنبال پیشرفتهای حاصل در الکترونیک حالت جامد و ارائهی مقررات سختتر کنترل سروصدا در دههی 1970 میلادی، پرداختن تکنولوژی به علم صوتشناسی، تازه در دههی 1980 آغاز شد. تا آن وقت، پژوهشهای اندکی در زمینهی مسائل عملی سنجش صدا برای تعیین دقیق منابع صدا و اصلاح آنها انجام شده بود.
راه حلهایی که تاکنون استفاده شده است ناقص یا گران و وقتگیر هستند. صاحبان ماشینآلات پر سروصدا، صرفاً تجهیزاتشان را عایقکاری میکنند یا به کارگرانشان گوشی محافظ میدهند. در بعضی از موارد، آنها ماشین آلات را به آزمایشگاههای صوتشناسی میفرستند یا برای کشف چگونگی بیصدا کار کردن آنها، اسبابهای آزمایشی شخصی خود را برپا میکنند. اما این کار به ویژه برای تجهیزات قدیمی یا سنگین خط تولید، مشکل است.
در حال حاضر مهندسان سرگرم تکمیل روشی به نام «سنجش شدت صوت» هستند که منابع اصلی سروصدای ناموزون را بدون نیاز به وسایل خاص صوتی مشخص میکند. آنها برای ثبت کردن جهت جریان و شدت انرژی صوتی در نقاط مختلف یک محل شلوغ، «شدتسنج صوت» را ابداع کردهاند. با این اطلاعات، یک «نقشهی تفصیلی صوتی» تهیه میشود که نشان میدهد سروصدای ناموزون از کجا میآید. گرچه این روش برای کمک به صاحبان کارخانهها برای برطرف کردن صداهای ماشین آلات پر سروصدا طراحی شده است، ولی مصارف متنوع دیگری هم دارد. برای مثال، این روش به سازندگان اتوموبیل امکان میدهد تا اتوموبیلهای بیصداتر بسازند و به همسایگان کمک میکند تا آسودهتر در کنار یکدیگر زندگی کنند.
تا قبل از ابداع شدت سنج صوت، مهندسان صوت شناسی این کار را با میکروفونهای معمولی انجام میدادند که نوسانهای بسیار کوچک فشار هوایی را که ما به عنوان صدا تشخیص میدهیم ضبط میکنند. این میکروفونها مقدار فشار و بسامد نوسانها را اندازه میگیرند. نوسانهای فشار، عامل اصلی ضایعات برگشت ناپذیر بر روی شنوایی ما هستند. تغییر فشار به اندازهی یک نیوتون بر متر مربع یعنی معادل با فقط ده میلیونم فشار جو، برای مردمی که به طور مداوم در کار روزانهشان در معرض صدا قرار دارند خطرهای جدی به بار میآورد. بیشترین خطر در بسامدهای بین یک و چهار کیلو هرتسی است. مثل شنوایی ما، که بین بسامدهای یک و دو کیلو هرتس بیشترین حساسیت را دارد، این حساسیت نیز در بسامدهای پایینتر یا بالاتر از این حد افت میکند.
نوسانها یا افت و خیزهای فشار هوا پایهای سنتی برای ارزیابی سطوح سروصدای ناموزون شد. متداولترین واحد سنجش، دسیبل ردهی A (dB-A) است. در این جا پاسخ انسان به صدا بیشتر لگاریتمی در نظر گرفته میشود تا خطی، و گوش به طور یکسان به همهی بسامدهای محدودهی شنوایی، حساس نیست. برای مثال، مقررات کشورهای اروپایی از کارفرماها میخواهد تا سطوح سروصداهای ناموزون را در جاهایی که احتمال دارد کارگران در معرض هشتاد و پنج دسیبل ردهی A یا بیشتر (به عنوان مرجع) باشند تعیین کنند. از سازندگان ماشین آلات خواسته شده است تا برای تجهیزاتی که احتمال دارد بیشتر از هشتاد و پنج دسیبل (A) تولید کنند، به ردهبندی صدا بپردازند. اما این دیدگاه کاملاً رضایتبخش نیست.
سطح فشار صوتی یک منبع سروصدای ناموزون، با موقعیت پیرامون منبع، فاصله از منبع، و با مشخصههای صوتی (آکوستیکی) محیط تغییر میکند. در فضای باز، هنگامی که فاصله از منبع سروصدا (بلندگو یا ماشین چمنزنی) دو برابر شود، فشار صوتی تا شش دسیبل (A) کاهش مییابد. برای منابع گسترده، مثل خط تولید یا جریان آمدوشد، وقتی که فاصله از منبع دو برابر شود، فشار تا چهار یا پنج دسیبل (A) کاهش مییابد. در محیطهای بستهای مثل کارخانهها، فشار صوتی به توانایی محیط برای جذب صدا نیز بستگی دارد. اثر انعکاسی دیوارهای خانه یا جداکنندههای حمام کاملاً مشخص است. حضور عوامل دیگری علاوه بر منبع صدا نیز بر سطح و توزیع فشار صوتی تأثیر میگذارد.
در حالی که فشار صوتی میتواند سادهترین کمیت برای اندازهگیری باشد، ولی برای تشخیص دقیق منبع صدا یا برای استقرار مناطق عمدهی سروصدا در منابع پیچیدهای مثل ماشین آلات صنعتی، زیاد مفید نیست، چون فشار مثل دما کمیتی عددی است، یعنی مقدار دارد اما جهت ندارد. یک منبع سروصدای ناموزون تأثیری مشابه با تأثیر مغناطیس یا جریان برق بر پیرامون خود میگذارد. در هر نقطه از فضای پیرامون ماشین پر سروصدا، میدان فشار صدا از اشتراک عمل منابع متعدد به دست آمده است و برآیند آن به قدرت نسبی هر یک از منابع بستگی دارد. یک منبع دور ولی با قدرت گسیل قوی میتواند سروصدایی معادل سروصدای یک منبع ضعیف و نزدیک تولید کند. حضور سطوح انعکاس صدا، مثل کفها و دیوارها، آشفتگی را زیادتر میکند، همان طور که در بازدید از یک خط تولید صنعتی، انعکاس چندگانهی صداها تشخیص هر یک از منابع صدا را غیر ممکن میسازد.
اگرچه هنوز در صنعت از سطوح فشار صوتی (دسیبل) برای سنجش پر سروصدا بودن تجهیزات استفاده میشود، اما معیار بهتری که حساسیت کمتری به محیط صدایی دارد، آهنگ تولید انرژی صوتی یا «توان صوتی» منبع است. مانند همهی توانهای مکانیکی، این واحد نیز با «وات» اندازهگیری میشود. برای مثال، جاروهای برقی بین صد تا هزار میکرو وات سروصدای ناموزون ایجاد میکنند، در حالی که سروصدا در مکالمهی مردانه چیزی در حدود پنجاه میکرو وات است.
همچنین آهنگ و جهت انتشار انرژی صوتی، معیاری آشکار و مشخص برای توزیع و شدت منابع صداست. این کمیت، یعنی شدت صوت، به صورت وات بر متر مربع اندازهگیری میشود. برای مثال، شدت مکالمهی مردانه در یک متری دهان گوینده، در حدود چهار میکرو وات بر متر مربع است، و این شدت برای هواپیمای در حال برخاستن از زمین، در فاصلهی صد متری، یک وات بر متر مربع است.
شدت صوت کمیتی برداری است که هم مقدار و هم جهت دارد. مانند هواشناسان که باد را روی نقشهی آب و هوایی با بردارهای مختلف نشان میدهند، مهندسان نیز میتوانند برای شناسایی منابع اصلی سروصدای ناموزون، توزیع بردارهای شدت صوت را در یک میدان صدا ترسیم کنند. همین که موقعیت منبع را پیدا کردند میتوانند قدرت آن را نیز تعیین کنند و به ارزیابی چگونگی تأثیرهای اصلاحات انجام شدهی طراحی برای کاهش صدا بپردازند.
محاسبهی قدرت صوت یک منبع، شامل اندازهگیری شدت صوت در مقدار زیادی از نقاط پیرامون آن منبع است. با ضرب کردن شدتها در سطحی که بر آن اثر میکنند و جمع کردن کلیهی حاصلضربها، نتیجه به دست میآید. در این حاصل جمع، فقط قدرت صوتی منبع درون منطقهی اندازهگیری شده دخیل است. شدتسنج، انرژیهای سایر منابع را نیز ضبط میکند، اما همین که شدتسنج پیرامون منبع مورد بررسی حرکت کند، اثر جمعشوندگی سایر انرژیها صفر میشود.
در گذشته، چنین اندازهگیریهایی فقط در آزمایشگاههایی که به طور کامل از سایر منابع صوتی جدا شده بود انجام میشد. جدا از هزینههای مربوط، بسیاری از تجهیزات صنعتی را نمیشد به این طریق آزمایش کرد، چون بسیار بزرگ، خطرناک، یا سنگین بودند و حمل آنها به آزمایشگاه مشکل بود. همچنین، جداسازی این تجهیزات از وسایل کمکی همراه آنها، که لازمهی بهرهبرداری از دستگاه هستند، اغلب امکانپذیر نبود. مزیت عمدهی روش نوین اندازهگیری آن است که ارزیابی منابع سروصداهای ناموزون در محل کار خودشان انجام میشود و به اتاقهای آزمایش نیازی نیست.
اما مهندسان به چه نوع ابزاری برای اندازهگیری شدت صوت نیاز دارند؟ این کمیتی کلیدی در تعیین موقعیت منبع سروصدای ناموزون و انرژی آن است. شدت صوت در نقطهای در فضا، حاصل ضرب فشارصوتی و سرعت ذرات هوای نوسانگر در آن نقطه است، که سرعت هوا به طور نمونهوار در حد کسری از میلیمتر بر ثانیه است.
تلاش برای ابداع یک شدتسنج مطمئن در اوایل دههی 1930 میلادی آغاز شد، یعنی زمانی که هاری السون، مهندس صوتی شرکت رادیویی امریکا، اولین شدتسنج را ابداع کرد. ابزار السون شامل دو میکروفون بود: یکی میکروفون فشاری بود که در آن بلوری «بارابرق» (پیزوالکتریک) فشار صوتی را به ولتاژهای نوسانی قابل سنجش تبدیل میکرد. دومی میکروفون نواری یا میکروفون «سرعت ذرهی صوت» بود که در آن فشار صوتی، یک ورق فلزی نازک را در میدان مغناطیسی مرتعش میکرد. با این کار، ولتاژی نوسانی تولید میشد که متناسب با اختلاف فشار، یا شیب فشار، و سرعت ذرات بود.
السون امیدوار بود بتواند با اندازهگیری فشار و سرعت ذره، شدت میدان صوتی را به دست آورد. ابزار او در گسترهی وسیعی از بسامد، دما، و رطوبت جو، قابل اطمینان نبود و در سطح تجاری پیشرفت نکرد. مسألهی دیگر این بود که پاسخهای دو میکروفون دقیقاً همفاز نبودند. این اختلاف فاز ساختگی حاکی از عدم امکان دستیابی به اختلاف فاز حقیقی بین این دو سنجش بود. چنین اختلافی مثلاً وقتی اتفاق میافتاد که حداکثر فشار با حداکثر سرعت ذره منطبق نمیشد. هنگامی که اختلاف فاز ساختگی ناچیز باشد شدت صوت به سادگی از حاصل ضرب فشار و سرعت ذره به دست میآید.
اولین ابزار عملی به وسیلهی ب. گ. وانسیل، فارغالتحصیل جوانی از آزمایشگاه ملی پژوهش فیزیکی انجمن پژوهشهای علمی و صنعتی، در پرتوریای افریقای جنوبی در سال 1975 ساخته شد. با توسعهی الکترونیک حالت جامد و تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی، ابزار وانسیل در گسترهی وسیعی از بسامدها به کار برده شد. این ابزار گسترهی کار وسیعی داشت، میتوانست صداهای آرام و بلند را اندازهگیری کند، در شرایط مختلف جوی پایدار بماند، و بنابراین در خارج از آزمایشگاه قابل استفاده باشد. این ابزار شامل دو میکروفون معمولی بود که در آنها امواج صوتی، یک پردهی فلزی به ضخامت چند میکرون را مرتعش میکند. همین که پرده حرکت میکند، خازن الکتریکی بین پرده و یک ورق فلزی ثابت تغییر میکند و ولتاژی نوسانی تولید میشود. وان سیل توانست با دو بار خواندن فشار صوتی، و دانستن فاصله و اختلاف فاز بین خواندهها، شدت صوتی را محاسبه کند.
بین سالهای هفتاد و پنج و هشتاد، دستگاههای حساس و جمع و جورتری در کشورهای مختلف از جمله سویس، فرانسه، امریکا، و انگلیس ساخته شدند. مثلاً پژوهشگران دانشگاه ساوتهمپتن دستگاه قابل حملی بر اساس خازنهای کلیدی قابل تغییر، یا انتقال بار، موجود در بازار آن روزگار ساختند. به جای آرایهای از خازنها و مقاومتها در مدار صافی الکتریکی، یک نوسانگر و یک ریزتراشه گذاشته شدند که گسترهی بسامد عملی را انتخاب میکنند. این پیشرفتها به ابداع شدتسنجی ارزان، دقیق، و پایدار منجر شدند، ولی در آن زمان صنایع انگلیس به توانایی عملی و تجاری این شدتسنجها ارج نگذاشتند و این دستگاهها هرگز وارد عرصهی تولید نشدند.
یکی از موفقترین ابزارهای تجاری در این رابطه توسط یک شرکت سازندهی دانمارکی ساخته شد. اگرچه این دستگاه سنگین بود ولی در آن به جای مدار قیاسی (آنالوگ) قبلی، از مدار رقمی بر اساس ریزتراشه استفاده شده بود. با این دستگاه مهندسان میتوانستند صدا را در بسامدهایی تا هشت کیلو هرتس اندازهگیری کنند. حد قبلی اندازهگیری پنج کیلو هرتس بود. این دستگاه از دو میکروفون خازنی تشکیل شده بود که با یکدیگر دوازده میلیمتر فاصله داشتند. این میکروفونها به طور اسمی یکسان بودند؛ اختلاف فاز ساختگی آنها ناچیز بود. مثل دستگاه وان سیل، در این دستگاه نیز مهندسان شدت صوت را از روی دو بار ثبت کردن فشار صوت اندازهگیری میکردند.
سپس شرکت الکترونیک نروژ شدتسنجی را به بازار عرضه کرد که بر اساس کاملاً متفاوتی کار میکرد. این دستگاه سرعت صوتی را با ثبت اختلالهایی اندازهگیری میکند که سروصدای ناموزون در باریکهی فراصوتی (تولید شده توسط دستگاه) ایجاد میکند. ابزار سنجش شامل دو بلور بارابرقی (پیزوالکتریک) است. یکی از آنها یک باریکهی پر بسامد صوتی را در دیگری شلیک میکند. عبور این باریکهی صوتی باعث نوسان هوا در مسیر حرکتش میشود. این نوسان به علامتی تبدیل میشود که متناسب با سرعت ذرهی صوتی است. مهندسان برای اندازهگیری فشار صوتی، از میکروفون فشاری معمولی استفاده میکنند.
پیشرفتهای بیشتر در علم مواد و در تکنولوژی ساخت، همراه با پیشرفتهای صورت گرفته در مدارهای الکترونیکی، نیاز به استانداردهای بینالمللی برای کارایی وسایل و روشهای اندازهگیری را تشدید کرده است. به تدریج وسایل قابل حملی که قادر به دریافت و اندازهگیری شدت صدای یک منبع سروصدای ناموزون در یک مجتمع صنعتی هستند متداول میشوند.
شدتسنجها انقلابی در اندازهگیری صدا ایجاد کردهاند. امروزه قدرت صوت خروجی از هر نوع منبع و محلی را میتوان داخل یا خارج آزمایشگاه ارزیابی کرد. دیگر به اتاقهای گرانقیمت صوتی (آکوستیکی) نیازی نیست. منابع سروصدای ناموزون در اتوموبیلها را میتوان ردهبندی کرد. عایقکاری صوتی دیوارها، درها، و محفظههای صدایی صنعتی را میتوان مستقیماً اندازه گرفت و نقاط ضعف درزبندیها و حفاظها را به سرعت معلوم کرد. با این وسیله میتوان دریافت که مسیر اصلی انتقال سروصدا بین دو خانهی مجاور، هم از طریق دیوارهاست و هم از کف خانه یا پنجرهها. این کار از صرف هزینههای غیرضروری برای دیوارها در جایی که ضروری نیست جلوگیری میکند.
شدتسنجها میتوانند به جای اندازهگیری سرعت صوت خروجی از منابع صدا با اندازهگیری سرعت جریان انرژی صوتی ورودی به درون اجسام به تعیین تأثیر جذب کنندههای صدا در ایستگاههای ضبط یا پخش صدا و تأثیر محل صندلی در سالن کنسرت کمک کنند. مهندسان با اندازهگیری صداهای اطراف یک صندلی و ثبت شدت صوت در نزدیکی سطح آن میتوانند تعیین کنند که چه مقدار صدا به صورت گرما از صندلی منعکس یا توسط آن جذب شده است.
به کار گیری شدتسنجها برای تعیین منابع سروصداهای ناموزون، همیشه با موفقیت همراه نیست، زیرا انرژی صوتی در محفظههای پر انعکاس در مسیرهای پر پیچ و خم جریان مییابد. وقتی که انرژی صوتی به سطوح جامد در حال ارتعاش خیلی نزدیک باشد میتواند یک ناحیه را ترک کند و وارد ناحیهی مجاور شود. در دستهای یک کارشناس، شدتسنج صوت میتواند نتایج ارزشمندی به بار آورد. از آنجا که میدانهای صوتی، به ویژه زمانی که با اجسام جامد برخورد میکنند و آثار بازتابی پدید میآورند، بسیار پیچیدهاند، ترسیم نمودار میدانهای برداری شدت صوت و مسیر جریان انرژی امکان شناخت بهتر رفتار صوت را فراهم میکند. درنتیجهی مزایای آموزشی، فنی، و اقتصادیی که بر اثر استفاده از این ابزارها به دست میآید، اندازهگیری شدت صوت زمینه را برای خلق دنیایی آرامتر فراهم میکند.
در پایان، ذکر مطلبی در مورد واحدهای صدا برای نشان دادن آنچه که میشنویم آموزنده است. صدا نتیجهی حرکتهای نوسانی ذرات هواست که نوسانهای بسیار کوچکی از فشار هوا در حول و حوش فشار پایای جو ایجاد میکنند. این نوسانها پردهی گوش را مرتعش و پالسهای عصبی به مغز را تحریک میکنند تا ما صدا را بشنویم. آنها همچنین میتوانند یک پردهی حساس فولادی را در یک میکروفون مرتعش و موجهای فشاری را به علائم برقی تبدیل کنند. این علائم را میتوان ثبت کرد یا بعد از تقویت به بلندگو فرستاد تا پردهی دیگری را مرتعش کند.
برای کمّی کردن شدت یک صدای پیوسته، مهندسان باید میانگین بزرگی این تغییرات فشار را نسبت به زمان اندازه گیری کنند. چون میانگین فشار در حول فشار جو صفر است، مهندسان علامت ارسالی از میکروفون را به توان دوم میرسانند تا آن را همیشه مثبت کنند و میانگین علامت مجذور شده را محاسبه کنند. آنها این مقدار را «مقدار میانگین مجذورها» مینامند.
مسألهی دیگر این است که گوش یک وسیلهی خطی نیست: در هر بسامدی، افزایش یا کاهش دادن فشار هوا به مقداری معین به همان نسبت بر احساس شنوایی ما تأثیر نمیگذارد. مثلاً سه بار کاهش دادن فشار صوت یا ده بار کاهش دادن انرژی آن، میتواند بلندی صدایی را که میشنویم نصف کند. برای در نظر گرفتن این واقعیت که پاسخ انسان به صدا بیشتر لگاریتمی است تا خطی، و برای آن که بتوان فشار صوت را کاملاً مشابه با آنچه میشنویم ثبت کرد، مهندسان برای اندازهگیری «سطح فشار صوت» از مقیاسی لگاریتمی به نام دسیبل (dB) استفاده میکنند. بنابراین، بلندی صدای شصت دسیبل دو برابر صدای پنجاه دسیبل است.
تغییر اصلاحی دیگر، با در نظر گرفتن این حقیقت انجام میشود که گوش به همهی بسامدهای گسترهی شنوایی (از بیست تا دو هزار هرتس) به طور یکسان حساس نیست. فشار صوت در بسامدی در میانهی گسترهی شنوایی، از فشار صوت در انتهای آن گستره بیشتر است. در اندازهگیری، دسیبل در ردهی (A) یا dB(A) است.
ارقام نمونهوار فشار صوت برای هواپیمایی در فاصلهی سیصد متری، بین صد تا صد و ده دسیبل و در مناطق مسکونی در وقت روز بین چهل تا پنجاه دسیبل تغییر میکند ماشینهای چمنزنی و مخلوطکنها بین هشتاد تا نود دسیبل سروصدا دارند در حالی که ظرفشوییها و جاروبرقیها بین شصت تا هفتاد و پنج دسیبل سروصدا تولید میکنند.
برای انتخاب تجهیزات و واحدهای صنعتی، سروصدای ناموزون معیار بسیار مهمی تلقی میشود. قوانین مربوط به تجهیزات و وسایل نقلیهی پر سروصدا برای سازندگان و متصدیان آنها آثار عمیق تجاری و اقتصادی دارد.
حتی اگر مهندسان بتوانند منبع صدا را شناسایی کنند، خفه کردن آن مستلزم تلاش بسیار زیادی است، زیرا پاسخ یا واکنش انسان به صدا، بیشتر از آن که خطی باشد لگاریتمی است. یعنی اگر بخواهیم بلندی صدایی را که شخص میشنود نصف کنیم، انرژی سروصدای تولید شده را باید به یک دهم برسانیم: این کار دوچندان دشوار است چرا که فقط کسر کوچکی از توان عملی یک منبع سروصدا به صدا تبدیل میشود و کاهش چیزی که خود کوچک است آسان نیست. این کسر برای متههای بادی در حدود یک دهم درصد و برای موتور هواپیماها یک هزارم درصد است. حتی در بلندگوهای بسیار دقیق با طراحی ویژه هم، یک یا دو درصد توان ورودی به سروصدای ناموزون تبدیل میشود. ممکن است تماشاگران فوتبال، گروهی پرسروصدا به نظر آیند، اما طبق محاسبات انجام شده، در یک مسابقهی پایانی در استادیوم ویمبلی لندن، تماشاگران انرژیای کمتر از پنج هزار ژول تولید کردند که به زحمت میتواند تخم مرغی را بپزد.
در سال 1932 میلادی، دانشمندان ابتدا روشی نظری برای سنجش دقیق انرژی صدا ابداع کردند. اما به دنبال پیشرفتهای حاصل در الکترونیک حالت جامد و ارائهی مقررات سختتر کنترل سروصدا در دههی 1970 میلادی، پرداختن تکنولوژی به علم صوتشناسی، تازه در دههی 1980 آغاز شد. تا آن وقت، پژوهشهای اندکی در زمینهی مسائل عملی سنجش صدا برای تعیین دقیق منابع صدا و اصلاح آنها انجام شده بود.
راه حلهایی که تاکنون استفاده شده است ناقص یا گران و وقتگیر هستند. صاحبان ماشینآلات پر سروصدا، صرفاً تجهیزاتشان را عایقکاری میکنند یا به کارگرانشان گوشی محافظ میدهند. در بعضی از موارد، آنها ماشین آلات را به آزمایشگاههای صوتشناسی میفرستند یا برای کشف چگونگی بیصدا کار کردن آنها، اسبابهای آزمایشی شخصی خود را برپا میکنند. اما این کار به ویژه برای تجهیزات قدیمی یا سنگین خط تولید، مشکل است.
تا قبل از ابداع شدت سنج صوت، مهندسان صوت شناسی این کار را با میکروفونهای معمولی انجام میدادند که نوسانهای بسیار کوچک فشار هوایی را که ما به عنوان صدا تشخیص میدهیم ضبط میکنند. این میکروفونها مقدار فشار و بسامد نوسانها را اندازه میگیرند. نوسانهای فشار، عامل اصلی ضایعات برگشت ناپذیر بر روی شنوایی ما هستند. تغییر فشار به اندازهی یک نیوتون بر متر مربع یعنی معادل با فقط ده میلیونم فشار جو، برای مردمی که به طور مداوم در کار روزانهشان در معرض صدا قرار دارند خطرهای جدی به بار میآورد. بیشترین خطر در بسامدهای بین یک و چهار کیلو هرتسی است. مثل شنوایی ما، که بین بسامدهای یک و دو کیلو هرتس بیشترین حساسیت را دارد، این حساسیت نیز در بسامدهای پایینتر یا بالاتر از این حد افت میکند.
نوسانها یا افت و خیزهای فشار هوا پایهای سنتی برای ارزیابی سطوح سروصدای ناموزون شد. متداولترین واحد سنجش، دسیبل ردهی A (dB-A) است. در این جا پاسخ انسان به صدا بیشتر لگاریتمی در نظر گرفته میشود تا خطی، و گوش به طور یکسان به همهی بسامدهای محدودهی شنوایی، حساس نیست. برای مثال، مقررات کشورهای اروپایی از کارفرماها میخواهد تا سطوح سروصداهای ناموزون را در جاهایی که احتمال دارد کارگران در معرض هشتاد و پنج دسیبل ردهی A یا بیشتر (به عنوان مرجع) باشند تعیین کنند. از سازندگان ماشین آلات خواسته شده است تا برای تجهیزاتی که احتمال دارد بیشتر از هشتاد و پنج دسیبل (A) تولید کنند، به ردهبندی صدا بپردازند. اما این دیدگاه کاملاً رضایتبخش نیست.
سطح فشار صوتی یک منبع سروصدای ناموزون، با موقعیت پیرامون منبع، فاصله از منبع، و با مشخصههای صوتی (آکوستیکی) محیط تغییر میکند. در فضای باز، هنگامی که فاصله از منبع سروصدا (بلندگو یا ماشین چمنزنی) دو برابر شود، فشار صوتی تا شش دسیبل (A) کاهش مییابد. برای منابع گسترده، مثل خط تولید یا جریان آمدوشد، وقتی که فاصله از منبع دو برابر شود، فشار تا چهار یا پنج دسیبل (A) کاهش مییابد. در محیطهای بستهای مثل کارخانهها، فشار صوتی به توانایی محیط برای جذب صدا نیز بستگی دارد. اثر انعکاسی دیوارهای خانه یا جداکنندههای حمام کاملاً مشخص است. حضور عوامل دیگری علاوه بر منبع صدا نیز بر سطح و توزیع فشار صوتی تأثیر میگذارد.
در حالی که فشار صوتی میتواند سادهترین کمیت برای اندازهگیری باشد، ولی برای تشخیص دقیق منبع صدا یا برای استقرار مناطق عمدهی سروصدا در منابع پیچیدهای مثل ماشین آلات صنعتی، زیاد مفید نیست، چون فشار مثل دما کمیتی عددی است، یعنی مقدار دارد اما جهت ندارد. یک منبع سروصدای ناموزون تأثیری مشابه با تأثیر مغناطیس یا جریان برق بر پیرامون خود میگذارد. در هر نقطه از فضای پیرامون ماشین پر سروصدا، میدان فشار صدا از اشتراک عمل منابع متعدد به دست آمده است و برآیند آن به قدرت نسبی هر یک از منابع بستگی دارد. یک منبع دور ولی با قدرت گسیل قوی میتواند سروصدایی معادل سروصدای یک منبع ضعیف و نزدیک تولید کند. حضور سطوح انعکاس صدا، مثل کفها و دیوارها، آشفتگی را زیادتر میکند، همان طور که در بازدید از یک خط تولید صنعتی، انعکاس چندگانهی صداها تشخیص هر یک از منابع صدا را غیر ممکن میسازد.
اگرچه هنوز در صنعت از سطوح فشار صوتی (دسیبل) برای سنجش پر سروصدا بودن تجهیزات استفاده میشود، اما معیار بهتری که حساسیت کمتری به محیط صدایی دارد، آهنگ تولید انرژی صوتی یا «توان صوتی» منبع است. مانند همهی توانهای مکانیکی، این واحد نیز با «وات» اندازهگیری میشود. برای مثال، جاروهای برقی بین صد تا هزار میکرو وات سروصدای ناموزون ایجاد میکنند، در حالی که سروصدا در مکالمهی مردانه چیزی در حدود پنجاه میکرو وات است.
همچنین آهنگ و جهت انتشار انرژی صوتی، معیاری آشکار و مشخص برای توزیع و شدت منابع صداست. این کمیت، یعنی شدت صوت، به صورت وات بر متر مربع اندازهگیری میشود. برای مثال، شدت مکالمهی مردانه در یک متری دهان گوینده، در حدود چهار میکرو وات بر متر مربع است، و این شدت برای هواپیمای در حال برخاستن از زمین، در فاصلهی صد متری، یک وات بر متر مربع است.
شدت صوت کمیتی برداری است که هم مقدار و هم جهت دارد. مانند هواشناسان که باد را روی نقشهی آب و هوایی با بردارهای مختلف نشان میدهند، مهندسان نیز میتوانند برای شناسایی منابع اصلی سروصدای ناموزون، توزیع بردارهای شدت صوت را در یک میدان صدا ترسیم کنند. همین که موقعیت منبع را پیدا کردند میتوانند قدرت آن را نیز تعیین کنند و به ارزیابی چگونگی تأثیرهای اصلاحات انجام شدهی طراحی برای کاهش صدا بپردازند.
محاسبهی قدرت صوت یک منبع، شامل اندازهگیری شدت صوت در مقدار زیادی از نقاط پیرامون آن منبع است. با ضرب کردن شدتها در سطحی که بر آن اثر میکنند و جمع کردن کلیهی حاصلضربها، نتیجه به دست میآید. در این حاصل جمع، فقط قدرت صوتی منبع درون منطقهی اندازهگیری شده دخیل است. شدتسنج، انرژیهای سایر منابع را نیز ضبط میکند، اما همین که شدتسنج پیرامون منبع مورد بررسی حرکت کند، اثر جمعشوندگی سایر انرژیها صفر میشود.
در گذشته، چنین اندازهگیریهایی فقط در آزمایشگاههایی که به طور کامل از سایر منابع صوتی جدا شده بود انجام میشد. جدا از هزینههای مربوط، بسیاری از تجهیزات صنعتی را نمیشد به این طریق آزمایش کرد، چون بسیار بزرگ، خطرناک، یا سنگین بودند و حمل آنها به آزمایشگاه مشکل بود. همچنین، جداسازی این تجهیزات از وسایل کمکی همراه آنها، که لازمهی بهرهبرداری از دستگاه هستند، اغلب امکانپذیر نبود. مزیت عمدهی روش نوین اندازهگیری آن است که ارزیابی منابع سروصداهای ناموزون در محل کار خودشان انجام میشود و به اتاقهای آزمایش نیازی نیست.
اما مهندسان به چه نوع ابزاری برای اندازهگیری شدت صوت نیاز دارند؟ این کمیتی کلیدی در تعیین موقعیت منبع سروصدای ناموزون و انرژی آن است. شدت صوت در نقطهای در فضا، حاصل ضرب فشارصوتی و سرعت ذرات هوای نوسانگر در آن نقطه است، که سرعت هوا به طور نمونهوار در حد کسری از میلیمتر بر ثانیه است.
تلاش برای ابداع یک شدتسنج مطمئن در اوایل دههی 1930 میلادی آغاز شد، یعنی زمانی که هاری السون، مهندس صوتی شرکت رادیویی امریکا، اولین شدتسنج را ابداع کرد. ابزار السون شامل دو میکروفون بود: یکی میکروفون فشاری بود که در آن بلوری «بارابرق» (پیزوالکتریک) فشار صوتی را به ولتاژهای نوسانی قابل سنجش تبدیل میکرد. دومی میکروفون نواری یا میکروفون «سرعت ذرهی صوت» بود که در آن فشار صوتی، یک ورق فلزی نازک را در میدان مغناطیسی مرتعش میکرد. با این کار، ولتاژی نوسانی تولید میشد که متناسب با اختلاف فشار، یا شیب فشار، و سرعت ذرات بود.
السون امیدوار بود بتواند با اندازهگیری فشار و سرعت ذره، شدت میدان صوتی را به دست آورد. ابزار او در گسترهی وسیعی از بسامد، دما، و رطوبت جو، قابل اطمینان نبود و در سطح تجاری پیشرفت نکرد. مسألهی دیگر این بود که پاسخهای دو میکروفون دقیقاً همفاز نبودند. این اختلاف فاز ساختگی حاکی از عدم امکان دستیابی به اختلاف فاز حقیقی بین این دو سنجش بود. چنین اختلافی مثلاً وقتی اتفاق میافتاد که حداکثر فشار با حداکثر سرعت ذره منطبق نمیشد. هنگامی که اختلاف فاز ساختگی ناچیز باشد شدت صوت به سادگی از حاصل ضرب فشار و سرعت ذره به دست میآید.
اولین ابزار عملی به وسیلهی ب. گ. وانسیل، فارغالتحصیل جوانی از آزمایشگاه ملی پژوهش فیزیکی انجمن پژوهشهای علمی و صنعتی، در پرتوریای افریقای جنوبی در سال 1975 ساخته شد. با توسعهی الکترونیک حالت جامد و تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی، ابزار وانسیل در گسترهی وسیعی از بسامدها به کار برده شد. این ابزار گسترهی کار وسیعی داشت، میتوانست صداهای آرام و بلند را اندازهگیری کند، در شرایط مختلف جوی پایدار بماند، و بنابراین در خارج از آزمایشگاه قابل استفاده باشد. این ابزار شامل دو میکروفون معمولی بود که در آنها امواج صوتی، یک پردهی فلزی به ضخامت چند میکرون را مرتعش میکند. همین که پرده حرکت میکند، خازن الکتریکی بین پرده و یک ورق فلزی ثابت تغییر میکند و ولتاژی نوسانی تولید میشود. وان سیل توانست با دو بار خواندن فشار صوتی، و دانستن فاصله و اختلاف فاز بین خواندهها، شدت صوتی را محاسبه کند.
بین سالهای هفتاد و پنج و هشتاد، دستگاههای حساس و جمع و جورتری در کشورهای مختلف از جمله سویس، فرانسه، امریکا، و انگلیس ساخته شدند. مثلاً پژوهشگران دانشگاه ساوتهمپتن دستگاه قابل حملی بر اساس خازنهای کلیدی قابل تغییر، یا انتقال بار، موجود در بازار آن روزگار ساختند. به جای آرایهای از خازنها و مقاومتها در مدار صافی الکتریکی، یک نوسانگر و یک ریزتراشه گذاشته شدند که گسترهی بسامد عملی را انتخاب میکنند. این پیشرفتها به ابداع شدتسنجی ارزان، دقیق، و پایدار منجر شدند، ولی در آن زمان صنایع انگلیس به توانایی عملی و تجاری این شدتسنجها ارج نگذاشتند و این دستگاهها هرگز وارد عرصهی تولید نشدند.
یکی از موفقترین ابزارهای تجاری در این رابطه توسط یک شرکت سازندهی دانمارکی ساخته شد. اگرچه این دستگاه سنگین بود ولی در آن به جای مدار قیاسی (آنالوگ) قبلی، از مدار رقمی بر اساس ریزتراشه استفاده شده بود. با این دستگاه مهندسان میتوانستند صدا را در بسامدهایی تا هشت کیلو هرتس اندازهگیری کنند. حد قبلی اندازهگیری پنج کیلو هرتس بود. این دستگاه از دو میکروفون خازنی تشکیل شده بود که با یکدیگر دوازده میلیمتر فاصله داشتند. این میکروفونها به طور اسمی یکسان بودند؛ اختلاف فاز ساختگی آنها ناچیز بود. مثل دستگاه وان سیل، در این دستگاه نیز مهندسان شدت صوت را از روی دو بار ثبت کردن فشار صوت اندازهگیری میکردند.
پیشرفتهای بیشتر در علم مواد و در تکنولوژی ساخت، همراه با پیشرفتهای صورت گرفته در مدارهای الکترونیکی، نیاز به استانداردهای بینالمللی برای کارایی وسایل و روشهای اندازهگیری را تشدید کرده است. به تدریج وسایل قابل حملی که قادر به دریافت و اندازهگیری شدت صدای یک منبع سروصدای ناموزون در یک مجتمع صنعتی هستند متداول میشوند.
شدتسنجها انقلابی در اندازهگیری صدا ایجاد کردهاند. امروزه قدرت صوت خروجی از هر نوع منبع و محلی را میتوان داخل یا خارج آزمایشگاه ارزیابی کرد. دیگر به اتاقهای گرانقیمت صوتی (آکوستیکی) نیازی نیست. منابع سروصدای ناموزون در اتوموبیلها را میتوان ردهبندی کرد. عایقکاری صوتی دیوارها، درها، و محفظههای صدایی صنعتی را میتوان مستقیماً اندازه گرفت و نقاط ضعف درزبندیها و حفاظها را به سرعت معلوم کرد. با این وسیله میتوان دریافت که مسیر اصلی انتقال سروصدا بین دو خانهی مجاور، هم از طریق دیوارهاست و هم از کف خانه یا پنجرهها. این کار از صرف هزینههای غیرضروری برای دیوارها در جایی که ضروری نیست جلوگیری میکند.
شدتسنجها میتوانند به جای اندازهگیری سرعت صوت خروجی از منابع صدا با اندازهگیری سرعت جریان انرژی صوتی ورودی به درون اجسام به تعیین تأثیر جذب کنندههای صدا در ایستگاههای ضبط یا پخش صدا و تأثیر محل صندلی در سالن کنسرت کمک کنند. مهندسان با اندازهگیری صداهای اطراف یک صندلی و ثبت شدت صوت در نزدیکی سطح آن میتوانند تعیین کنند که چه مقدار صدا به صورت گرما از صندلی منعکس یا توسط آن جذب شده است.
به کار گیری شدتسنجها برای تعیین منابع سروصداهای ناموزون، همیشه با موفقیت همراه نیست، زیرا انرژی صوتی در محفظههای پر انعکاس در مسیرهای پر پیچ و خم جریان مییابد. وقتی که انرژی صوتی به سطوح جامد در حال ارتعاش خیلی نزدیک باشد میتواند یک ناحیه را ترک کند و وارد ناحیهی مجاور شود. در دستهای یک کارشناس، شدتسنج صوت میتواند نتایج ارزشمندی به بار آورد. از آنجا که میدانهای صوتی، به ویژه زمانی که با اجسام جامد برخورد میکنند و آثار بازتابی پدید میآورند، بسیار پیچیدهاند، ترسیم نمودار میدانهای برداری شدت صوت و مسیر جریان انرژی امکان شناخت بهتر رفتار صوت را فراهم میکند. درنتیجهی مزایای آموزشی، فنی، و اقتصادیی که بر اثر استفاده از این ابزارها به دست میآید، اندازهگیری شدت صوت زمینه را برای خلق دنیایی آرامتر فراهم میکند.
در پایان، ذکر مطلبی در مورد واحدهای صدا برای نشان دادن آنچه که میشنویم آموزنده است. صدا نتیجهی حرکتهای نوسانی ذرات هواست که نوسانهای بسیار کوچکی از فشار هوا در حول و حوش فشار پایای جو ایجاد میکنند. این نوسانها پردهی گوش را مرتعش و پالسهای عصبی به مغز را تحریک میکنند تا ما صدا را بشنویم. آنها همچنین میتوانند یک پردهی حساس فولادی را در یک میکروفون مرتعش و موجهای فشاری را به علائم برقی تبدیل کنند. این علائم را میتوان ثبت کرد یا بعد از تقویت به بلندگو فرستاد تا پردهی دیگری را مرتعش کند.
برای کمّی کردن شدت یک صدای پیوسته، مهندسان باید میانگین بزرگی این تغییرات فشار را نسبت به زمان اندازه گیری کنند. چون میانگین فشار در حول فشار جو صفر است، مهندسان علامت ارسالی از میکروفون را به توان دوم میرسانند تا آن را همیشه مثبت کنند و میانگین علامت مجذور شده را محاسبه کنند. آنها این مقدار را «مقدار میانگین مجذورها» مینامند.
مسألهی دیگر این است که گوش یک وسیلهی خطی نیست: در هر بسامدی، افزایش یا کاهش دادن فشار هوا به مقداری معین به همان نسبت بر احساس شنوایی ما تأثیر نمیگذارد. مثلاً سه بار کاهش دادن فشار صوت یا ده بار کاهش دادن انرژی آن، میتواند بلندی صدایی را که میشنویم نصف کند. برای در نظر گرفتن این واقعیت که پاسخ انسان به صدا بیشتر لگاریتمی است تا خطی، و برای آن که بتوان فشار صوت را کاملاً مشابه با آنچه میشنویم ثبت کرد، مهندسان برای اندازهگیری «سطح فشار صوت» از مقیاسی لگاریتمی به نام دسیبل (dB) استفاده میکنند. بنابراین، بلندی صدای شصت دسیبل دو برابر صدای پنجاه دسیبل است.
تغییر اصلاحی دیگر، با در نظر گرفتن این حقیقت انجام میشود که گوش به همهی بسامدهای گسترهی شنوایی (از بیست تا دو هزار هرتس) به طور یکسان حساس نیست. فشار صوت در بسامدی در میانهی گسترهی شنوایی، از فشار صوت در انتهای آن گستره بیشتر است. در اندازهگیری، دسیبل در ردهی (A) یا dB(A) است.
ارقام نمونهوار فشار صوت برای هواپیمایی در فاصلهی سیصد متری، بین صد تا صد و ده دسیبل و در مناطق مسکونی در وقت روز بین چهل تا پنجاه دسیبل تغییر میکند ماشینهای چمنزنی و مخلوطکنها بین هشتاد تا نود دسیبل سروصدا دارند در حالی که ظرفشوییها و جاروبرقیها بین شصت تا هفتاد و پنج دسیبل سروصدا تولید میکنند.
برای انتخاب تجهیزات و واحدهای صنعتی، سروصدای ناموزون معیار بسیار مهمی تلقی میشود. قوانین مربوط به تجهیزات و وسایل نقلیهی پر سروصدا برای سازندگان و متصدیان آنها آثار عمیق تجاری و اقتصادی دارد.