Physics of Sound Waves Lecture PDF

Lecture(5) Physics of Sound wave:- In physics, the sound is produced in the form of a pressure wave. When an object vibrates, it causes the surrounding air molecules to vibrate, creating a chain reaction of sound wave vibrations through out the medium. ‫ يتم إنتاج‬، ‫في الفيزياء...

Lecture(5) Physics of Sound wave:- In physics, the sound is produced in the form of a pressure wave. When an object vibrates, it causes the surrounding air molecules to vibrate, creating a chain reaction of sound wave vibrations through out the medium. ‫ يتم إنتاج‬، ‫في الفيزياء‬ ‫ فإنه يتسبب في اهتزاز جزيئات‬، ‫ عندما يهتز جسم ما‬.‫الصوت في شكل موجة ضغط‬ ‫ مما يخلق تفاعال متسلسال الهتزازات الموجات الصوتية عبر‬، ‫الهواء المحيطة‬ ‫الوسط‬ There are many different types of sound including, audible, inaudible, and sound waves that are below the human hearing range of 20 Hz to 20,000 Hz. Waves below ‫هناك العديد من أنواع الصوت المختلفة بما في ذلك الموجات الصوتية وغير‬ 02222 ‫ هرتز إلى‬02 ‫المسموعة والصوتية التي تقل عن نطاق السمع البشري من‬ ‫ الموجات أدناه‬.‫هرتز‬  20 Hz are called infrasonic waves (infrasound), while higher frequencies above 20,000 Hz are known as ultrasonic waves (ultrasound). Ultrasound occurs at frequencies outside the human hearing range, it is inaudible to the human ear. In nature, bats emit ultrasonic waves ، )‫ هرتز الموجات تحت الصوتية (الموجات دون الصوتية‬02 ‫يطلق على‬ ‫ هرتز بالموجات فوق الصوتية‬02222 ‫بينما تعرف الترددات األعلى فوق‬ ‫ تحدث الموجات فوق الصوتية على ترددات خارج نطاق‬.)‫(الموجات فوق الصوتية‬ ‫ تنبعث الخفافيش‬، ‫ في الطبيعة‬.‫ وهي غير مسموعة لألذن البشرية‬، ‫السمع البشري‬ ‫من الموجات فوق الصوتية‬ Sonic spectrum:- Sonic spectrum can be classified (depending on the frequency of the wave) into three frequency range ‫يمكن‬ ‫تصنيف الطيف الصوتي (اعتمادا على تردد الموجة) إلى ثالثة نطاقات تردد‬ 1- infra-sound 2-audile-sound 3-ultra-sound Sound wave intensity:- The intensity ( I )of sound wave is the energy carried by wave per unit area per unit time. it may be expressed by the maximum change in pressure.‫( شدة‬I) ‫للموجة الصوتية هي‬ ‫ يمكن التعبير‬.‫الطاقة التي تحملها الموجة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية‬ ‫عنها بأقصى تغير في الضغط‬ The sound intensity can be measured by the following mathematical equation‫يمكن قياس شدة الصوت بالمعادلة الرياضية التالية‬ I=P/A I=sound intensity , P=energy , A=area through meaning that the sound intensity = the energy of the wave /the area it passes ‫ المنطقة التي تمر بها‬/ ‫بمعنى أن شدة الصوت = طاقة الموجة‬ Effect the nature of sound on human hearing :- ‫تأثير طبيعة‬ ‫الصوت على سمع اإلنسان‬ The human ear can distinguish two characteristics of sound‫يمكن لألذن البشرية التمييز بين خاصيتين للصوت‬ 1 -Loudness (or volume) is degree of sensation of sound produced in the ear it depends on its intensity. ‫جهارة‬ ‫الصوت (أو الحجم) هي درجة اإلحساس بالصوت الناتج في األذن ويعتمد ذلك على‬ ‫شدته‬ 2- Pitch the pitch of sound refers to whether it is high (sharp) like the frequency sound of a birdor low like the sound‫الملعب تشير درجة الصوت إلى ما إذا كانت عالية (حادة) مثل تردد صوت طائر أو منخفضة مثل الصوت‬ In many ways, sound waves are similar to light waves. They both originate from a definite source and can be distributed or scattered using various means. Unlike light, ‫ تشبه الموجات الصوتية موجات‬، ‫من نواح كثيرة‬ ‫ على عكس‬.‫ كالهما ينشأ من مصدر محدد ويمكن توزيعه أو نثره باستخدام وسائل مختلفة‬.‫الضوء‬ ، ‫الضوء‬ sound waves can only travel through a medium, such as air, glass, or metal. This means there’s no sound in space! ‫يمكن أن تنتقل الموجات‬ ‫ هذا يعني أنه ال يوجد صوت في الفضاء‬.‫ مثل الهواء أو الزجاج أو المعدن‬، ‫الصوتية فقط عبر وسيط‬ Sound waves are composed of compression and rarefaction patterns. Compression happens when molecules are densely filled together. The wave’s energy transfer is what causes compression and rarefaction. During compression, there is high pressure, and during rarefaction, there is low pressure. Different sounds produce different patterns of high- and low-pressure changes, which allows them to be identified. The wavelength of a sound wave is made up of one compression and one rarefaction. ‫تتكون الموجات الصوتية من‬ ‫ نقل طاقة‬.‫ يحدث الضغط عندما تمتلئ الجزيئات معا بكثافة‬.‫أنماط الضغط والتخلخل‬ ، ‫ يكون هناك ضغط مرتفع‬، ‫ أثناء الضغط‬.‫الموجة هو ما يسبب االنضغاط والتخلخل‬ ‫ تنتج األصوات المختلفة أنماطا مختلفة‬.‫ يكون هناك ضغط منخفض‬، ‫وخالل التخلخل‬ ‫ يتكون الطول‬.‫ مما يسمح بالتعرف عليها‬، ‫من تغيرات الضغط العالي والمنخفض‬ ‫الموجي للموجة الصوتية من ضغط واحد وتخلخل واحد‬ When we measure sound, there are four different measurement units available to us, the unit is called the decibel (dB). The decibel is a logarithmic ratio of the sound pressure compared to a reference pressure. The nextmost frequently used unit is the hertz (Hz), but phon and sone are also used. When sound passes from one medium to another 𝑣𝑠, and same. the stays 𝑓 while λ changes ‫عندما نقيس الصوت‬ ‫ الديسيبل‬.)‫ تسمى الوحدة الديسيبل (ديسيبل‬، ‫ هناك أربع وحدات قياس مختلفة متاحة لنا‬، ‫ الوحدة التالية األكثر‬.‫هو نسبة لوغاريتمية لضغط الصوت مقارنة بالضغط المرجعي‬ ‫ عندما يمر الصوت‬.‫ ولكن يتم استخدام الفون والسون أيضا‬، )‫استخداما هي الهرتز (هرتز‬ F ‫ بينما يتغير‬λ‫ يبقى‬.‫ ونفس الشيء‬، ‫من وسيط إلى آخر مقابل‬ The more elasticity of the medium, the faster the sound speed tends to be. So, the sound in solid is faster than in liquid than in ، ‫ لذلك‬.‫ زادت سرعة الصوت‬، ‫كلما زادت مرونة الوسط‬ ‫الصوت في المادة الصلبة أسرع منه في السائل منه في‬ Gas consequently. general, the sound speed is give by;-  Vs=f λ and Vs=√ c/ρ where C is stiffness constant of medium ρ=the density f=frequency λ=wave lengh V=340m/sec velocity sound in air at 15℃Types of Waves Sound waves fall into two categories: longitudinal waves, mechanical waves. ‫ الموجات الطولية‬:‫تنقسم الموجات الصوتية إلى فئتين‬ ‫والموجات الميكانيكية‬ Longitudinal Sound Waves A longitudinal wave is a wave in which the motion of the medium's particles is parallel to the direction of the energy transport. Sound waves in air and fluids are longitudinal waves because the particles that transport the sound vibrate parallel to the direction of the sound wave’s travel. ‫الموجة الطولية هي موجة تكون فيها حركة‬ ‫ الموجات الصوتية في الهواء والسوائل هي موجات‬.‫جزيئات الوسط موازية التجاه نقل الطاقة‬ ‫طولية ألن الجسيمات التي تنقل الصوت تهتز موازية التجاه انتقال الموجة الصوتية‬ Mechanical Sound Waves A mechanical wave is a wave that depends on the oscillation of matter, meaning that it transfers energy through a medium to propagate. Examples of mechanical waves in nature include water waves, sound waves. There are three types of mechanical waves: transverse waves, longitudinal waves, and surface waves. ‫الموجة الميكانيكية‬ ‫ تشمل‬.‫ مما يعني أنها تنقل الطاقة عبر وسط لنشرها‬، ‫هي موجة تعتمد على تذبذب المادة‬ ‫ هناك ثالثة أنواع‬.‫أمثلة الموجات الميكانيكية في الطبيعة موجات الماء والموجات الصوتية‬ ‫ الموجات المستعرضة والموجات الطولية والموجات السطحية‬:‫من الموجات الميكانيكية‬.. Sound Reflection: This topic deals with how soundinteracts with surfaces and reflects from them. Understanding how sound can reflect and interactwith its surrounding environment is important. ‫ يتناول هذا الموضوع كيفية تفاعل الصوت مع األسطح‬:‫انعكاس الصوت‬ ‫ من المهم فهم كيف يمكن للصوت أن ينعكس ويتفاعل مع البيئة المحيطة به‬.‫وانعكاسه منها‬ 1. Speed of Sound: This topic covers the factorsaffecting the speed of sound in different mediums, such as air, water, and solids. Understanding these factors is crucial for various applications, such as sonar imaging and sound engineering. ‫ يغطي هذا الموضوع العوامل التي تؤثر على سرعة الصوت في‬:‫سرعة الصوت‬ ‫ يعد فهم هذه العوامل أمرا‬.‫ مثل الهواء والماء والمواد الصلبة‬، ‫الوسائط المختلفة‬ ‫ مثل تصوير السونار وهندسة الصوت‬، ‫بالغ األهمية لمختلف التطبيقات‬ to find the velocity of sound V=X/t value of the sound in air 340 m/sec at Temperature 15 C Resonance: This topic focuses on how objects react to specific frequencies of sound, leading to increased vibration and emitted sound. Resonanceplays a crucial role in many applications, such as musical instruments and communication technologies. ‫ يركز هذا الموضوع على كيفية تفاعل األجسام مع ترددات‬:‫الرنين‬ ‫ يلعب الرنين دورا‬.‫ مما يؤدي إلى زيادة االهتزاز والصوت المنبعث‬، ‫معينة من الصوت‬ ‫ مثل اآلالت الموسيقية وتقنيات االتصال‬، ‫حاسما في العديد من التطبيقات‬ 2. Working Principle of Stethoscope: This explains how the famous medical instrument,the stethoscope, works, used for listening to the sounds of the heart and lungs. The explanation covers the structure of the stethoscope and how it amplifies internal ‫مبدأ عمل‬ ‫ المستخدمة‬، ‫ سماعة الطبيب‬، ‫ وهذا ما يفسر كيف تعمل األداة الطبية الشهيرة‬:‫سماعة الطبيب‬ ‫ يغطي الشرح هيكل السماعة وكيف يتم تضخيمها داخليا‬.‫لالستماع إلى أصوات القلب والرئتين‬  body sounds to facilitate listening and diagnosis. 3. Working Principle of Ultrasound: This topic focuses on how ultrasound devices work, used in medical imaging and other applications. It explains how the device sends high-frequency sound waves and analyzes theresponse from different bodies to create detailed images and accurate information. could describe the sonar to you. A sonar device is usually a portable device consisting of a main unit and a receiver connected to it by cable. The sonar device has a screen that displays images generated by ultrasound. Thesonar device is connected to a transducer that ‫ يركز‬:‫مبدأ عمل الموجات فوق الصوتية‬ ‫هذا الموضوع على كيفية عمل أجهزة الموجات فوق الصوتية المستخدمة في التصوير الطبي‬ ‫ يشرح كيف يرسل الجهاز موجات صوتية عالية التردد ويحلل االستجابة من‬.‫والتطبيقات األخرى‬ ‫ عادة ما يكون‬.‫ يمكن أن تصف السونار لك‬.‫األجسام المختلفة إلنشاء صور مفصلة ومعلومات دقيقة‬.‫جهاز السونار جهازا محموال يتكون من وحدة رئيسية وجهاز استقبال متصل به عن طريق الكابل‬ ‫ جهاز السونار‬.‫يحتوي جهاز السونار على شاشة تعرض الصور الناتجة عن الموجات فوق الصوتية‬ ‫متصل بمحول طاقة‬ generates ultrasound and receives bouncedsignals from tissues inside the body. The sonar image is based on the reflection of ultrasound waves from tissues inside the body, allowing doctors to accurately see organs, tissues and internal ‫يولد الموجات فوق الصوتية‬ ‫ تعتمد صورة السونار على انعكاس الموجات‬.‫ويستقبل إشارات مرتدة من األنسجة داخل الجسم‬ ‫ مما يسمح لألطباء برؤية األعضاء واألنسجة‬، ‫فوق الصوتية من األنسجة داخل الجسم‬ ‫والداخلية بدقة‬.