PHYSICS Sound PDF By Mr.Sultan

‫‪SOUND‬‬ ‫‪Physics PYP‬‬ ‫‪By Mr.Sultan 0564267788‬‬ ‫خاص بالمشتركين‬ ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب ‪ -‬يمنع بيع الملف‬  1 15.1 Sound waves: sound is mechanic...

‫‪SOUND‬‬ ‫‪Physics PYP‬‬ ‫‪By Mr.Sultan 0564267788‬‬ ‫خاص بالمشتركين‬ ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب ‪ -‬يمنع بيع الملف‬  1 15.1 Sound waves: sound is mechanical waves propagation through any medium : solid , liquid , or gas. The wave is a disturbance or vibrations in the pressure or density of a medium. These disturbances produce alternating high-pressure region (compressions) and low-pressure region ( rarefactions ) which together called sound waves ‫ الموجة هي اضطراب او تذبذب للضغط‬.)‫غاز‬,‫سائل‬,‫الصوت هو موجة ميكانيكية تنتشر خالل وسط ما (صلب‬ ‫ هذه االضطرابات تنتج لنا منطقة ذات ضغط عالي نسميها (االنضغاطات) ومنطقة منخفضة‬.‫والكثافة داخل الوسط‬.) ‫الضغط اسمها (التخلخالت) ونسمي ذلك الصوت ( انظر الصورة أعاله‬ Note : Sound waves are longitudinal waves that propagate through mediums and cannot propagate in vacuum. Sound is a longitudinal waves in all media but may also have a transverse component in solids ‫ موجة الصوت‬.‫ موجات الصوت هي موجات طولية تنتشر داخل وسط وال يمكن لها االنتشار في الفراغ‬:‫مالحظة‬ ‫طولية في كل األوساط ولكن قد يكون لديها مركبة مستعرضة داخل المواد الصلبة‬ Sound waves can be represented by variation in air pressure , air density , or by displacement of an air element. The variation in air density and air pressure are similar , so they produce similar wave like disturbances when they are plotted versus position. Both disturbances are in phase. ‫ دائما‬.‫ او عن طريق إزاحة جزيئات الهواء‬.‫موجة الصوت يمكن تمثيلها عن طريق تغيرات ضغط الهواء او كثافته‬ ) ‫ ( انظر الصورة أعاله‬In phase ‫تغير الكثافة وتغير الضغط لهم نفس الطور‬ As sound wave pass through air , those region with the highest change in pressure ( regions of compression and rarefaction ) have no displacement change , and those regions with no change in pressure have the highest displacement change. Thus , the pressure wave and displacement wave are out of phase. ‫ المناطق التي يتغير فيها الضغط كثيرا ( التضاغطات والتخلخالت) ليس لديها أي‬,‫عندما يعبر الضوء داخل الهواء‬ ‫ االزاحة والضغط يكونان‬.‫ اما المناطق التي ليس فيها تغير في الضغط يكون فيها إزاحة كبيرة جدا‬.‫تغير في االزاحة‬ ) ‫ ( انظر الصورة ادناه‬out of phase ‫خارج الطور‬ ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  2 Note : In compression region the medium has high density and high pressure , in rarefaction region the medium has low density and low pressure ‫ اما مناطق الكثافة‬Compressions ‫ المناطق التي فيها ضغط عالي وكثافة عالية نسميها التضاغطات‬:‫مالحظة‬ Rarefaction ‫المنخفضة والضغط المنخفض نسميها التخلخالت‬ 15.3.1 Speed of sound Speed of sound : The speed of sound as a mechanical wave depends on the properties of the medium in which it propagates. ‫ سرعة الصوت تعتمد على خصائص الوسط الذي تنتشر فيه‬:‫سرعة الصوت‬ Note : speed of sound is directly proportional to the temperature , when the temperature increase , the speed of sound increase. ‫ كل ما زادت درجة الحرارة ازدادت سرعة الصوت‬.‫ سرعة الصوت تتناسب طرديا مع درجة الحرارة‬:‫مالحظة‬ Note : Speed of sound in solids generally more than in liquids , and speed of sound in liquids generally more than gases. ‫ وسرعة الصوت في السوائل اكبر‬,‫ سرعة الصوت في المادة الصلبة اكبر من سرعة الصوت في السوائل‬:‫مالحظة‬ ‫من الغازات‬ The speed of sound depends generally on two parameters of the medium : the density and the compressibility The compressibility is elastic property that governs by Bulk modulus B ) B ‫ وقابلية المادة لالنضغاط ( يتم قياسه بمعامل بولك‬ρ ‫ كثافة المادة‬:‫سرعة الصوت تعتمد على امرين‬ B vsound in fluid = √ ρ v: speed of sound in fluid (m/s) ρ : density (kg/m3) B: Bulk modulus (N/m2) ‫القانون أعاله يقيس لنا سرعة الصوت داخل الموائع فقط وليس المواد الصلبة و الحظ ان سرعة الصوت تتناسب طرديا مع معامل بولك‬.‫( القابلية لالنضغاط ) وعكسيا مع الكثافة‬ Speed of longitudinal waves in a solid rod is given by : Y vsound in solid rod = √ ρ v: speed of sound in solid rod ρ : density Y: Young modulus.‫القانون أعاله يقيس لك سرعة الصوت داخل مادة صلبة‬ ‫ لذلك سرعة الصوت داخل الحديد‬.‫ من المادة السائلة والغازية‬More elastic ‫ المادة الصلبة اكثر مرونة‬:‫مالحظة‬ ‫ والمادة السائلة اكثر مرونة من الغازات لذلك سرعة الصوت بالماء اسرع من الهواء‬,‫اسرع من الماء‬ ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  3 In general speed of mechanical waves is given by : Elastic property vmechanical waves = √ Inertial property ‫ اذا نستطيع القول ان سرعة‬,‫الحظ ان القانونين لحساب سرعة الصوت بالموائع والمواد الصلبة متشابهين جدا‬ ) ‫الصوت بشكل عام هي عبارة عن قسمة خاصية مرونية ( معامل بولك او يونق ) على خاصية قصورية ( الكثافة‬ ‫مثال من عندي على قوانين حساب سرعة الصوت‬ Example : Calculate the speed of sound in Alcohol ethyl of density 789 kg/m3 and Bulk modulus of 1.06x109 N/m2. B vsound in fluid = √ ρ 1.06 x 109 N/m2 vsound in fluid =√ 789 kg/m3 m vsound in fluid = 1159 s Concept questions 15.1 : What is the ratio of the speed of sound in aluminum to the speed of sound in water? Assume a solid bar of aluminum has Young's modulus Y=7x1010 N/m2 and density 𝝆=2700 kg/m3. Assume water has a bulk modulus of B=2.1x109 N/m2 and density of 𝝆=1000 kg/m3 Y vsound in solid rod √ρ = vsound in fluid B √ ρ 10 vsound in solid rod √7 x 10 2700 = = 3.51 vsound in fluid 2.1 x 109 √ 1000 ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  4 Concept questions 15.2 : Humidity, or the moisture of the air, varies, which has effect on speed of sound in air. Does the speed of sound increase in dry air or moist air? Consider both at the same temperature Answer: the speed of sound in moist air is greater than the speed of sound in dry air at the same temperature. In moist air, a large number of water molecules occupy the places of either nitrogen or oxygen. ‫ هل سرعة الصوت تزيد في الجو الرطب ام في‬,‫ الرطوبة تؤثر على سرعة الصوت في الهواء‬:‫ترجمة السؤال أعاله‬ ‫الجو الجاف؟‬ ‫ وسرعة الصوت في الماء اكبر‬,‫ سرعة الصوت في الجو الرطب اسرع ألن الجو يكون ممتلئ بجزيئات الماء‬:‫إجابة‬ ‫من سرعة الصوت في االكسجين والنيتروجين الموجود في الهواء الجاف‬ 15.3.3 Sound intensity Sound intensity: Sound intensity is a measure of the amount of the energy transported by a wave per unit time through unit area perpendicular to the wave's propagation direction ‫ شدة الصوت هي مقياس لكمية الطاقة المنتقلة بالموجة لكل وحدة زمن مقسوما على المساحة وعموديا‬:‫شدة الصوت‬ ‫على اتجاه انتشار الموجة‬ Energy Intensity = time Area ∆E I = ∆t A E: Energy t : time A : area I : intensity P ‫ لذلك سنستبدله بالحرف‬Power ‫ او القدرة‬rate of energy ‫∆ نسميه‬E/∆t ‫الحد‬ Therefore , intensity is the rate of energy , which is power transported per unit area perpendicular to it's direction. P I= A P : power (in unit watt or J/s ) Key point : the intensity of a wave is the amount of energy passing through a plane of unit area perpendicular to the propagation direction of the wave in unit time. It is proportional to the square of amplitude. ‫ الشدة‬.‫ شدة الموجة هي كمية الطاقة التي تعبر خالل مساحة السطح عموديا على اتجاه انتشار الطاقة‬: ‫كي بوينت‬ A2 ‫تتناسب طرديا مع مربع السعة‬ ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  5 Example : A loudspeaker puts out 0.15 W sound through a square area 2.0 m on each side. What is the intensity of this sound ? P I= A 0.15 W I= 2mx2m W I = 0.0375 m2 W 𝐼 = 3.8 x 10−2 m2 Intensity has a unit of W/m2 which is equal to J/m2s and equal to kg/s3 Sound intensity level : the relative sound intensity to the threshold of hearing in logarithmic scale and it's measured in unit of decibels (dB) I IL = 10log ( ) IO IL : Sound intensity level ( Unit : dB ) I : Sound Intensity ( Unit : W/m2 ) Io=10-12 W/m2 ( threshold of hearing) Concept question 15.6 : What is the intensity of I , of 0 dB I IL = 10log( ) IO IL I = 1010 IO 0 I = 1010 10−12 W I = 10−12 m2 I = IO ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  6 Example 15.9: A sound has intensity of 5 x 10-7 J/m2 s a) What is the intensity level IL of this sound ? I IL = 10log( ) IO 5 x 10−7 IL = 10log ( ) = 57 𝑑𝐵 10−12 B) By how many decibels does this value increase if the intensity of the sound is increased by factors of 100 and 1000 ? I IL = 10log( ) IO 100 x 5 x 10−7 IL = 10log ( ) = 77 𝑑𝐵 10−12 ∆IL = 77 − 57 = 20 𝑑𝐵 1000 x 5 x 10−7 IL = 10log ( ) = 87 𝑑𝐵 10−12 ∆IL = 87 − 57 = 30 𝑑𝐵 Sound pressure level (SPL) : The pressure variation in a sound wave is defined as sound pressure level p SPL = 20𝑙𝑜𝑔( ) pO reference pressure p0=2x10-5 Pa p : pressure SPL : Sound pressure level Note : the unit of sound intensity level and sound pressure level is dB ‫ يقاس مستوى شدة الصوت وكذلك مستوى ضغط الصوت بوحدة ديسبل‬: ‫مالحظة‬ Sound pressure level and intensity level equation : I p 10log10 ( ) = 20log10 ( ) IO pO I p log10 ( ) = 2log10 ( ) IO pO ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  7 Loudness: the ear's response : The human ear is extremely sensitive to sounds ranging from 16 Hz to about 20 kHz ( 20000 Hz ). The sensitivity of human hearing varies across this frequency interval , primarily because of the resonance properties. This is shown in Figure2 which is a curve of intensity level versus frequency , called equal loudness curves ( or Fletcher -Munson curves ) ‫ الى‬16Hz ‫ االذن البشرية جدا حساسة لالصوات التي تتراوح ما بين‬.‫ تعبر عن درجة اإلحساس بالصوت‬: ‫الجهارة‬ ‫ اإلحساس‬. 16 Hz ‫ وال اقل من‬20000 Hz‫ ال نستطيع ان نسمع أي صوت اكبر من‬20 kHz = 20000 Hz ‫ هذا موضح بالرسم ادناه الذي يوضح العالقة ما بين‬.‫بالصوت يختلف معتمدا على التردد بسبب ظاهرة الرنين‬ ) ‫مستوى الصوت والتردد ( رسم فليتشر مونسون‬ ‫ يعني يزيدون سوا وينقصون سوا‬intensity ‫ تتناسب طرديا مع الشدة‬loudness ‫ الجهارة‬:‫مالحظة‬ Figure2 : Fletcher – Munson curve Figure2 show that the intensity level of the threshold of pain does not change very much with frequency , but the intensity level of the threshold of the hearing changes widely with frequency. Threshold of Hearing. the minimum sound pressure level at which a sound of a given frequency can be perceived by the human ear ( Io=10-12 W/m2 ) IO=10-12 W/m2 ‫ هو اقل مستوى ضغط الصوت عند تردد معين يستطيع االنسان ان يسمعه وقيمته‬:‫عتبة االستماع‬ threshold of pain is the minimum sound intensity at which an individual starts to feel pain. ‫ هو اقل مستوى صوت يبدأ عندها اإلحساس بااللم‬: ‫عتبة األلم‬ Note : the ear is most sensitive at about 3 kHz to 4 kHz , and the variations in percieved is called loudness ‫ والتغيرات باالحساس لهذه‬4kHz ‫ الى‬3kHz ‫ االذن البشرية حساسة اكثر شي لالصوات التي تكون بين‬:‫مالحظة‬ ‫األصوات نسميه الجهارة‬ ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬  8 Fletcher – Munson curve are deemed less useful because we all disagree with the idea that a 100 dB sound at 40 Hz is as loud as a 100 dB sound at 3000 Hz. For this reason , a new parameter for loudness is introduced and called ( phon ). The convention is to set the decibel scale and the phon scale equal at sound frequency of 1 kHz , 100 dB = 100 phon at 1 kHz ‫ يكون‬3000Hz ‫ والتردد‬40Hz ‫منحنى فليتشر مونسون أحيانا يكون غير دقيق أحيانا الن يوضح لنا ان عند التردد‬ phon ‫ وهذا غير دقيق فيزيائيا لذلك تم وضع معامل جديد اسمه‬100dB ‫مستوى الصوت‬ 100 dB = 100 phon ‫ يكون‬1 kHz ‫علما انه عند تردد‬ P15.3 : The range of frequencies heard by the healthy human ear spans from 16 Hz to 20 kHz. What are the corresponding wavelength of sound waves at these frequencies f1 = 16 Hz f2 = 20 kHz = 20000 λ1=? λ2=? vspeed of sound in air =344 m/s 𝑣 λ1 = f1 344 λ1 = = 21.5 𝑚 16 𝑣 λ2 = f2 344 λ2 = = 0.017 𝑚 20000 P15.6 : Mercury has density of 13.6 g/cm3 and a bulk modulus of 2.85 x 1010 Pa. What is the speed of sound in mercury? B=2.85 x 1010 Pa ρ = 13.6 g/cm3 = 13.6 x 1000 = 13600 kg/m3 B vsound in fluid = √ ρ 2.85 x 1010 vsound in fluid = √ 13600 vsound in fluid = 1447 m/s ‫ يمنع بيع الملف اطالقا‬- 0564267788 ‫يمنع منعا باتا تصوير او إعادة ارسال او نسخ الملف دون اذن خطي من الكاتب‬