אקוסטיקה

אקוסטיקה הוא ענף בפיזיקה העוסק בחקר הקול, גלים מכניים בגזים, נוזלים ומוצקים. מדען העוסק באקוסטיקה נקרא אקוסטיקאי. השימוש במדע האקוסטיקה בתעשייה ובטכנולוגיה מכונה הנדסה אקוסטית. ישנה חפיפה רבה בין תחומי העניין והעיסוק של אקוסטיקאי ושל מהנדס אקוסטיקה.

תחומי המשנה העיקריים של אקוסטיקה כוללים בין השאר:

• אווירואקוסטיקה, חקר יחסי הגומלין בין קול לבין זרימת גזים. לתחום זה שימושים מעשיים באווירודינמיקה, כגון חקר הרעש הנוצר בידי מטוסי סילון והפיזיקה של בומים על-קוליים.
• אלקטרואקוסטיקה, חקר של יצירת ומדידת קול בידי מכשור אלקטרוני כגון רמקולים, מיקרופונים, סונאר, הידרופון ועוד.
• אקוסטיקה ארכיטקטונית, חקר התנהגות הקול במבנים. עוסק בין השאר בהתנהגות הקול באולמות קונצרטים ובאודיטוריומים אולם גם בהתנהגות הקול בבתי מגורים, בתי משרדים ומפעלי תעשייה.
• אקוסטיקה ביו-רפואית, חקר השימוש בקול במדע הרפואה -- למשל, השימוש באולטרה סאונד לבדיקות ולטיפולים.
• אקוסטיקה מוזיקלית, חקר האקוסטיקה של כלי נגינה.
• אקוסטיקה פיזיקלית, חקר האינטראקציה של קול עם חומרים שונים, ובכלל זה תרמואקוסטיקה (האינטראקציה של קול וחום).
• אקוסטיקה תת-מימית, חקר התקדמות הקול באוקיינוסים.
• ביואקוסטיקה, חקר השימוש בקול בידי בעלי חיים כגון לוויתנים, דולפינים ועטלפים.
• פסיכואקוסטיקה, חקר תגובתם של בני-אדם לקולות, שמיעה, וכו'.
• פליטה אקוסטית, תופעה פיזיקאית של פליטת קול עקב דפורמציה או התפתחות שבר בחומר.

גלי קול

גל קול מאופיין על ידי מהירותו, אורך הגל שלו והמשרעת (אמפליטודה) שלו. מהירות הקול תלויה בתווך דרכו עובר הקול, וגם בטמפרטורה שלו, אך אינה תלויה בלחץ התווך. מהירות הקול היא בערך 340 מטר בשנייה באוויר ו-1500 מטר בשנייה במים. אורך הגל הוא המרחק משיא אחד של הגל לשיאו הבא; אורך הגל של גל קול, $\lambda$, תלוי ביחס בין מהירות הגל, $c$, לבין תדירותו $f$:

$\lambda ={\frac {c}{f}}$.

מידת לחץ הקול

המשרעת של גל קול מאופיינת בדרך-כלל בעזרת לחץ הקול. בסביבה רגילה ניתן למצוא טווח נרחב מאוד של לחצים, ולפיכך מקובל למדוד את לחץ הקול בסקאלה לוגריתמית, ביחידת המידה דציבל. אם $p$ הוא שורש ממוצע הריבועים של משערת לחץ הקול אזי מידת לחץ הקול (sound pressure level, SPL) מוגדרת כ-20 פעמים הלוגוריתם של היחס בין $p$ לבין לחץ ידוע כלשהו, $p_{0}$.

ניתן לחשב את מידת לחץ הקול בדציבלים כך:

$L_{p}=20\,\log _{10}\left({\frac {p_{1}}{p_{0}}}\right)=10\,\log _{10}\left({\frac {p_{1}^{2}}{p_{0}^{2}}}\right)dBSPL$

הלחץ הידוע $p_{0}$ בו משתמשים הוא סף טווח השמיעה האנושי:

$p_{0}=2\cdot 10^{-5}Pa$

(דהיינו, 20 מיקרו-פסקל; במים, סף השמיעה הוא מיקרו-פסקל אחד).

עוצמת הקול

בדברנו על רמות קול יש להבדיל בין מידת לחץ הקול לבין מידת כוח הקול. מידת לחץ הקול נמדדת בעזרת מיקרופונים ומכשירים דומים, וניתן למדוד אותה ישירות. מידת עוצמת הקול, לעומת זאת, היא מידה של כמות האנרגיה המושקעת (ברמקול, למשל) כדי לייצר קול. בשל גורמים סביבתיים והשפעות אחרות, כמות האנרגיה המשמשת להפקת הקול לא בהכרח שווה למידת הקול הנתפשת בחושיו של השומע.

לא ניתן למדוד עוצמת קול ישירות, ולכן מידה זו מחושבת על-פי נתונים אחרים. ישנן שתי שיטות מקובלות למדידתה: "השיטה הישירה" ו"השיטה ההשוואתית". בשיטה הראשונה מודדים את עוצמת הקול על ידי חישוב משוואה הכוללת את התנאים הסביבתיים (כגון טמפרטורה, לחות, זמן תהודה וכו') ואת לחץ הקול. בשיטה השנייה, משווים את לחץ הקול ללחץ קול המופק באותם תנאים ממקור קול מוכר המפיק עוצמת קול ידועה וקבועה, והשוואת לחץ זה עם לחץ הקול הנמדד. שתי השיטות אמינות ומדויקות באותה המידה.

חדרי הדהוד וחדרים שקטים

מדידות כמו אלה שנזכרו לעיל מבוצעות לעתים בחדרי הדהוד או בחדרים שקטים. חדרי הדהוד מתוכננים כך שייצרו הדים מתמשכים של גלי קול, זאת כדי ליצור רמת קול אחידה מאוד, המגיעה באותה מידה מכל הכיוונים. דוגמאות טיפוסיות לחדרים בעלי מאפיינים הדומים לחדרי הדהוד הן מנהרות בטון ומערות.

לעומתם, חדרים שקטים נבנים כדי לדמות "שדה חופשי". שדה חופשי הוא ייצוג תאורטי של מרחב אינסופי, בו אין החזרה של גלי קול (כלומר, אין הדים). בחדרים כאלה, הקול היחיד הוא הקול ממקור הקול הנמדד. החדר השקט הראשון נבנה בשנת 1940 במעבדות בל. עובי קירותיו החיצוניים כמטר, כדי למנוע כניסת רעש חיצוני, והם מרופדים מבפנים בחיפוי מיוחד הבולע 99.995% מגלי הקול בתדירות הגבוהה מ-200 הרץ.

ראו גם

• STC
• תהודה
• צליל
• כלי נגינה
• עיבוד אותות קול

קישורים חיצוניים

עיינו גם בפורטל פורטל הפיזיקה מהווה שער לחובבי הפיזיקה ולמתעניינים בתחום. בין היתר, בפורטל תוכלו למצוא מידע על פיזיקאים חשובים, על ענפי הפיזיקה ועל תאוריות פיזיקליות.

• אתר האגודה הישראלית לאקוסטיקה