علم صوت به معني وسيع کلمه توليد ، تراگسيل و دريافت انرژي بصورت ارتعاش در ماده است. اگر اتمها و مولکولهاي شاره يا جامد از اوضاع طبيعي خود تغيير مکان يابند، نيروي الاستيک در آن پديد مي‌گردد، که مربوط به سختي جسم است و مي‌خواهد جسم را به حالت نخست باز گرداند، اين را نيروي برگرداننده گويند. تأثير اين نيروي الاستيک برگرداننده توأم با خاصيت اينرسي دستگاه ، ماده را براي ارتعاشهاي نوساني و در نتيجه تراگسيل موجهاي آکوستيکي قابل مي‌سازد. امواج صوتي امواج مادي بوده که هم طولي و هم عرضي مي‌تواند باشد. در شاره ها بصورت طولي است و در محيطهاي ديگر هم بصورت طولي و هم بصورت عرضي است. يعني فرضا اگر صوت وارد يک ماده جامد شود، به موج طولي و عرضي با سرعتهاي متفاوت تجزيه مي‌شود.
امواج ماوراي صوت را به روشهاي مکانيکي و الکتريکي و مغناطيسي مي‌توان توليد کرد. ابزار مکانيکي توليد ماوراي صوت عبارت است از: سيرن ، سوتک گالتن ، مولد الکتريکي ، مولد مغناطيسي ، نوسانگر پيزو الکتريک و نوسانگر مانيتواستريکتيو که در زير برخي از آنها که کاربرد وسيعي دارند شرح مختصري مي‌دهيم.

 


◄   سيرن:
سيرن از يک ظرف محکم ساخته شده است که بوسيله لوله‌اي به تلمبه تراکم هوا مربوط مي‌شود و مي‌توان در آن هواي با فشار زياد متراکم کرد. در قسمتي از سطح بالايي اين ظرف دو صفحه فلزي گرد محور واحدي قرار دارند که بر روي آنها تعدادي سوراخ به يک فاصله از محور موجود است. صفحه پايين ثابت است و صفحه بالايي مي‌تواند بر روي آن با سرعت زياد دوران کند.
سوراخهايي که بر روي اين دو صفحه موجود است، مي‌توانند در مقابل يکديگر قرار گيرند. ولي امتداد آنها در صفحه بالايي و پاييني برهم قرار ندارد و طوري است که وقتي هوايي با فشار زياد از سوراخهاي پاييني به دهانه سوراخهاي بالايي مي‌رسد، تغيير جهت و امتداد مي‌دهد. و همين تغيير جهت حرکت هوا سبب مي‌گردد که بر صفحه بالايي نيرويي اثر کند و آن را به چرخش در آورد. فرکانس صوتي که سيرن توليد مي‌کند با تعداد سوراخهاي صفحه دوّار (p) و نيز تعداد دوري که صفحه گردان سيرن در ثانيه دوران مي کند (n) نسبت مستقيم دارد (f = pn). که در آن f فرکانس صوت مي‌باشد.

معمولا بر روي سيرنها دستگاهي است که مي تواند صوت حاصل را مشخص کند. وليکن اگر تعداد سوراخها در صفحه بسيار زياد و نيز فشار هوا يا بخار آب که در ظرف سيرن متراکم شده است، بسيار زياد باشد، ارتعاشات ماوراي صوت توليد مي‌شود. به کمک اين سيرنها امواجي تا فرکانس200 کيلو هرتز توليد کرده‌اند.
 

◄   وتک گالتن:
در سال 1883 نخستين بار گالتن متوجه امواج ماوراي صوت شد. او با استفاده از لوله بسته‌اي که به کمک يک پيچ مي‌توانست طول آن را تغيير دهد، ارتعاشات صوتي بسيار ريزي با فرکانس زياد توليد کرد. و ضمن کاهش تدريجي طول لوله بسته متوجه شد که در هنگام دميدن در آن صدايي را نمي‌شنود. وليکن سگي که در نزديکي وي بود عکس العمل نشان مي‌دهد. همين موضوع او را متوجه امواج ماوراي صوت کرد.
در سال 1900 ميلادي. ادلمان سوتک گالين را کامل کرد و آن را به فرکانس حدود 170000 هرتز رسانيد. در سال 1916 ميلادي هارتمان بر اساس کارهاي قبلي سوتکي ساخت که در آن هواي متراکم از يک سوراخ مخروطي شکل خارج و به دهانه لوله استوانه‌اي شکل که طول و قطر آن برابر است وارد مي‌گردد و توليد صوت مي‌کند. در سوتک هارتمان سرعت خروج هوا و برخورد آن به لوله سوتک بسيار زياد و بيش از سرعت صوت است.
 

 

◄   نوسانگر مغناطيسي:
اين نوسانگرها براساس خاصيت ماگنتوستريکشن و استفاده از يک ميدان الکتريکي متناوب ساخته مي‌شود. خاصيت ماگنتوستريکشن عبارت است از تغيير شکل و تغيير حجم يک ماده مغناطيسي (آهن ، نيکل و کبالت) در اثر آهنربا شدن. ساده‌ترين تغييري که در اثر آهنربا شدن يک ماده مغناطيسي بررسي مي‌شود تغيير نسبي طول يعني Δl/l است. که در اين رابطه Δl تغيير طول و ا طول اوليه ماده مغناطيسي است.
اگر ميله اي از يک ماده مغناطيسي مانند نيکل را انتخاب کنيم و در اطراف آن يک سيم روپوش دار بپيچيم و آن را در يک مدار الکتريکي قرار دهيم، مشاهده مي‌شود که هر گاه جريان الکتريکي از سيم پيچ بگذرد طول ميله کوتاه مي شود و پس از قطع جريان ميله به طول اوليه خود باز مي گردد. چنانچه بتوانيم به کمک يک رئوستا شدت جريان الکتريکي را افزايش دهيم، تغيير طول ميله Δl بيشتر مي شود.

ضمنا اگر جهت جريان الکتريکي را تغيير دهيم باز هم ميله منقبض خواهد شد. مشخص مي‌شود که کاهش طول ميله که در اثر ميدان مغناطيسي سيم پيچ و آهنربا شدن آن ظاهر مي‌شود، به جهت ميدان الکتريکي بستگي ندارد. وليکن اندازه تغيير طول ميله به اندازه شدت ميدان الکتريکي بستگي دارد. در عمل نوسانگرهاي مغناطيسي را به اين ترتيب مي‌سازند که به جاي ميله‌هاي نيکلي ورقه‌هاي نازک نيکلي که رويه‌اي از يک ماده عايق الکتريکي دارند، بکار مي‌برند.
اين ورقه ها را مانند آنچه در هسته‌هاي ترانسفورماتور مشاهده مي‌کنيم بر روي يکديگر قرار مي‌دهند و به هم متصل مي‌کنند. علت بکار بردن ورقه‌هاي نيکل به جاي ميله نيکل جلوگيري از جريانهاي گردابي (جريان فوکو) است. ضمنا بجاي آنکه فقط از يک سيم پيچ استفاده شود، دو سيم پيچ به دور هسته نيکلي پيچيده مي‌شود، که از يکي جريان مستقيم و از سيم پيچ ديگر جريان متناوب عبور مي‌کند.

◄  نوسانگر پيزوالکتريک:
خاصيت پيزوالکتريک عبارت است از ايجاد اختلاف پتاسيل الکتريکي در دو طرف يک بلور هنگامي که آن بلور تحت فشار يا کشش قرارگيرد و نيز انبساط و انقباض آن بلور هنگامي که تحت تأثير يک ميدان الکتريکي واقع شود.
پديده پيزوالکتريک که در سال 1880 توسط پيرکوري کشف شد، نه تنها در توليد ارتعاشات ماوراي صوت مورد استفاده قرار مي‌گيرد، بلکه در بسياري ديگر از ابزارها از جمله در ميکروفونهاي کريستالي ، پيک آپ گرامافون ، توليد نوسانهاي الکتريکي و فندک بکار مي‌رود. خاصيت پيزو الکتريک در بلورهاي کوارتز ، تورمالين ، تاتارات سديم و پتاسيم و تيتانات باريم مشاهده شده است.

◄   چشمه فيزيک امواج فروصوتي و فراصوتي:
فيزيک امواج فروصوتي که با آنها سروکار داريم معمولا توسط چشمه‌هاي بزرگ توليد مي‌شوند. امواج زمين لرزه‌ايبلور کوارتز که بر اثر تشديد با يک ميدان الکتريکي متناوب در بلور القا شده است ، ايجاد کرد. به اين طريق مي‌توان بسامدهاي فراصوتي به بزرگي 6x108 هرتز توليد کرد. طول موج متناظر با اين بسامد در هوا در حدود 5x10-5طول موج نور مرئي است.
از آن جمله‌اند. بسامدهاي بالاي مربوط به فيزيک امواج فراصوتي را مي‌توان به وسيله ارتعاشات کشسان يک سانتي‌متر است که همان حدود مشخصات فيزيکي جابجايي يا ارتعاش مولکولهاي هوا در تمام جهات صورت مي‌گيرد و بسته به مقدار انرژي موجود ، هر لايه از مولکولها مسافتي را طي مي‌کنند. به سخن ديگر هر چه انري بيشتر باشد مسافتي را که موج مي‌پيمايد بيشتر است. طول مسافتي را که هر طبقه از مولکولهاي هوا طي نموده و دوباره به جاي اوليه خود بر مي‌گردد دامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زيادتر باشد صدا بلندتر است. بلندي صدا را با زير و بمي آن نبايد اشتباه کرد، زيرا بلندي صدا مربوط به تعداد ارتعاش در ثانيه است.
بنابراين صداي ممکن است بم ولي بلند باشد. بالعکس صداي ديگري ممکن است زير ولي کوتاه باشد. اگر امواج صوتي در مسير حرکت خود به جسمي از قبيل پرده گوش برخورد کنند و آن را به همان اندازه مرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسيله اندامهاي گوش داخلي به مراکز اعصاب شنوايي منتقل گشته و در نتيجه صدا شنيده مي‌شود و عکس العمل لازم صادر مي‌شود.

◄   چشمه فيزيک امواج شنيده شدني:
فيزيک امواج شنيده شدني در تارهاي مرتعش (بلندگو ، طبل) ايجاد مي‌شوند. همه اين عناصر مرتعش به تناوب هواي پيرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت به طرف عقب ، رقيق مي‌کنند. هوا اين آشفتگيها را بصورت موج از چشمه به خارج انتقال مي‌دهد. اين فيزيک امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را بوجود مي‌آورند. موجهايي که تقريبا متناوب هستند و يا تعداد کمي از مؤلفه‌هاي تقريبي متناوب را شامل مي‌شوند، احساس خوشايندي بوجود مي‌آورند (اگر شدت خيلي زياد نباشد) اصوات موسيقي از اين جمله‌اند. صوتي که شکل موج آن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنيده مي شود. نوفه را مي‌توان برهمنهشي از امواج متناوب دانست که در آن تعداد مؤلفه‌ها خيلي زياد است.
 

يک آزمايش ساده
دو سر يک سيم فولادي به طول يک متر و به قطر يک ميليمتر را که کشيده شده و بوسيله دو قطعه سنگ يا آهن محکم شده است ، در نظر مي‌گيريم. حال اگر وسط سيم را به کناري کشيده و رها کنيم صدايي شنيده نمي‌شود، در صورتي که ارتعاش آن کاملا به چشم ديده مي‌شود. ولي اگر يک طرف سيم را به کنار يک لنگه در تخته‌اي متصل کنيم و آزمايش را دوباره انجام دهيم، صداي آن کاملا شنيده مي‌شود، با وجود آنکه ارتعاش آن مشهود نيست. علت اين امر آن است که در دفعه اول هواي مجاور سيم بجاي اينکه تراکم و انبساط پيدا کند، روي سيم لغزيده است و در مرتبه دوم هواي مجاور لنگه در ، مجال لغزيدن و رسيدن به کنار آن را قبل از تجديد ارتعاش نداشته است.
 

◄   امواج صوتي در جامدات و مايعات:
همانطور که درون هوا ارتعاشات طولي توام با تراکم و انبساط منتشر مي‌شود، به همان طريق نيز ارتعاشات طولي توأم با تراکم و انبساط در داخل مايعات و جامدات انتشار پيدا مي‌کنند. اگر ميله فلزي را براي لحظه کوتاهي در امتداد خودش کشيده و رها کنيم ، تراکم و انبساط در طول ميله انتشار پيدا خواهد کرد و همين طور اگر نقطه‌اي از جسم جامد را مرتعش سازيم (به عنوان مثال با چکش به گوشه يک قطعه سنگ يا فلز بزنيم) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروي در تمام جسم مرتعش منتشر مي‌شوند.
مخصوصا نبايد چنان کرد که انتشار تراکم و انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنيدني است، بلکه هر نوع ارتعاش با هر فرکانس ممکن است در آنها انتشار يابد. تنها فرقي که جامدات و مايعات در انتقال صوت با هوا و گاز دارند در زياد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.
 

◄  امواج ماوراي صوت در صنعت:
      +   کاربرد ماوراي صوت در توليد آلياژها:
در به هم آميختن فلزات براي توليد آلياژهاي مناسب از امواج ماوراي صوت مي توان بهره گرفت. روش استفاده به اين ترتيب است که به نسبتي که مي خواهيم آلياژتهيه کنيم، فلزات مذاب را روي هم مي ريزيم و آنها را در مسير امواج با فرکانس زياد قرار مي دهيم. در اين صورت جنبش مولکولي ذرات افزايش مي يابد و فلزات با هم مي آميزند و در همين موقع است که مخلوط را به تدريج سرد مي کنند و آلياژ مورد نظر به دست مي آورند.
اشميد وارت فيزيکدانان آلماني از آزمايشهاي خود درباره به هم آميختن فلزات به نتايج جالبي رسيدند. آنها با عبور دادن ماوراي صوت از دو فلز سرب و آلومينيوم آلياژي تهيه کردند که قابليت چکشخواري و مفتول شدن آن بسيار زياد بود آنها توانستند سرب را به نسبت 25% در آلومينيوم پخش کنند. دانه هاي سرب پخش شده در آلومينيوم قطري در حدود 50 ميکرون خواهد داشت.

      +   تشخيص شکاف و حفره در فلزات:
پيش از اين ، اشعه ايکس را براي تشخيص ترکيدگي و وجود حفره هايي هوايي در فلزات به کار مي برند و ليکن در مورد قطعات خيلي ضخيم فلزات استفاده از اين اشعه عملي نيست. زيرا اشعه ايکس جذب فلزات مي شود اما با استفاده از امواج ماوراي صوت با فرکانس بالا مي توان محل شکاف يا حباب هوا را مشخص کرد.

      +   سوراخ کردن مواد سخت:
چنانچه امواج ماوراي صوت با فرکانس بالا را در يک نقطه خاص از يک فلز و يا يک بلور متمرکز کنيم انرژي اين امواج سبب بالا رفتن دماي آن نقطه مي گردد و در نتيجه ، آن نقطه ذوب شده و به آساني سوراخ مي گردد. براي سوراخ کردن مواد سخت مته هاي مخصوص به کار مي برند دراين مته ها سرمته حرکت دوراني نداشته و تنها نوسان مي کند.

      +   ساير کاربردهاي ماوراي صوت در صنعت:

علاوه بر موارد بالا امواج ماوراي صوت را براي تعيين ضخامت فلزي در موقع کار و نيز جوش دادن فلزات و نيمه هاديها به کار مي برند. بعضي از انواع جوشکاري فقط به وسيله اين امواج امکانپذير است. براي نمونه در کپسول هاي فضايي بدنه داخلي از فولاد کرم نيکل و بدنه خارجي از آلومينيوم است که اين دو قطعه به کمک امواج ماوراي صوت انجام مي شد.