ما هو الصوت؟

في علم وظائف الأعضاء، ينتج الصوت عندما تتحرك اهتزازات الجسم عبر وسيط حتى تدخل طبلة الأذن البشرية، ولكن في علم الفيزياء، ينتج الصوت على شكل موجة ضغط، إذًا ما هو الصوت؟!

ما هو الصوت؟ وكيف يتم إنتاجه؟ 

عندما يهتز جسم ما، فإنه يتسبب في اهتزاز جزيئات الهواء المحيطة، فيؤدي إلى تفاعل متسلسل من اهتزازات الموجات الصوتية عبر الوسط المحيط (الهواء أو الماء أو الصلب)، حيث تتسبب موجة الضغط هذه في أن يكون للجسيمات الموجودة في الوسط المحيط حركة اهتزازية، فعندما تهتز الجسيمات، تتحرك الجسيمات القريبة وتنقل الصوت أكثر عبر الوسط، فالأذن البشرية تكتشف الموجات الصوتية عندما تهتز جزيئات الهواء بأجزاء صغيرة داخل الأذن. 

يمكن تصنيف هذه الموجات على أنها موجات عرضية وموجات ضغط وموجات ميكانيكية. 

فعلم الصوت هو أحد العلوم المهمة، وهو علم متعدد التخصصات، يدرس الموجات الميكانيكية، بما في ذلك الاهتزاز والصوت والموجات فوق الصوتية في بيئات مختلفة (مثل المواد الصلبة والسوائل والغازات). 

من المهم أن نفهم ماهية الوسيط، وكيف يؤثر على الصوت، فنحن نعلم أن الصوت يمكن أن ينتقل عبر الغازات والسوائل والمواد الصلبة، لكن كيف تؤثر هذه على حركتها؟ فالذي يحدث هو أنه يتحرك بسرعة أكبر عبر المواد الصلبة؛ لأن جزيئاته متراصة بكثافة معًا، حيث يتيح ذلك للجزيئات نقل الاهتزازات بسرعة من جزيء إلى آخر. 

ويتحرك الصوت بالمثل في الماء، لكن سرعته تزداد أربع مرات عن سرعته في الهواء. 

فيمكن تقليل سرعة الموجات الصوتية التي تتحرك عبر الهواء بشكل أكبر من خلال سرعات الرياح العالية التي تبدد الموجة.

فإن سرعة الصوت تعتمد على نوع الوسط الذي ينتقل خلاله، حيث في الهواء الجاف عند 20 درجة مئوية، تكون سرعة الصوت 343 م/ ث! وفي مياه البحر بدرجة حرارة الغرفة، ينتقل بسرعة حوالي 1531 م/ ث! 

فعندما يلاحظ علماء الفيزياء اضطرابًا يتمدد بشكل أسرع من السرعة المحلية للصوت، يطلق عليه اسم الموجة الصدمية. 

وحدات الصوت 

عندما نقيس الصوت، تتوفر لنا أربع وحدات قياس مختلفة. 

• الوحدة الأولى تسمى ديسيبل (Decibel)، وهو نسبة لوغاريتمية لضغط الصوت مقارنة بالضغط المرجعي. 
• والوحدة الثانية الأكثر استخدامًا هي هرتز (Hertz)، والهرتز هو مقياس لتردد الصوت.
• فيتم استخدام الهرتز والديسيبل على نطاق واسع لوصف الأصوات وقياسها. 

ولكن يتم أيضًا استخدام فون (Phon) وسون (Sone)، سون هو ارتفاع الصوت المدرك للصوت، والفون هو وحدة جهارة الصوت للنغمات النقية. 

خصائص الصوت 

كيف تختلف الموسيقى عن الضوضاء؟ 

كيف يمكننا معرفة الفرق بين سيارات الإسعاف وصفارات الإنذار الخاصة بالشرطة؟ 

نعرف كل هذه الاختلافات من الخصائص الأربعة للصوت. 

الخصائص الأربعة هي:

1) درجة الصوت أو التردد 

النغمة هي الجودة التي تمكننا من الحكم على الأصوات على أنها “أعلى” و”أقل”، فطريقة تنظيم الأصوات تكون بناءً على مقياس قائم على التردد، حيث يتسبب الصوت عالي النبرة في تأرجح الجزيئات بسرعة، بينما يتسبب المنخفض النبرة في تذبذب أبطأ. 

ويمكن تحديد درجة الصوت فقط عندما يكون للصوت تردد واضح ومتسق بما يكفي لتمييزه عن الضوضاء، فنظرًا لأن طبقة الصوت تعتمد بشكل أساسي على إدراك المستمع، فهي ليست خاصية مادية موضوعية للصوت.

2) الديناميكيات أو السعة 

يتم تحديد اتساع الموجة الصوتية من حيث جهارة الصوت النسبي. 

نقيس سعة الموجات الصوتية بالديسيبل، والتي لا تتوافق مع المستويات الديناميكية -في الموسيقى يُطلق على جهارة النغمة اسم مستواها الديناميكي- فعند السعات الأعلى تتوافق مع الأصوات الأعلى، بينما تتوافق السعات الأقصر مع الأصوات الأكثر هدوءًا. 

وعلى الرغم من ذلك، فقد أظهرت الدراسات أن البشر يرون أن الأصوات عند ترددات منخفضة جدًا وعالية جدًا تكون أكثر ليونة من الأصوات في الترددات المتوسطة، حتى عندما يكون لها نفس السعة.

3) لون النغمة أو الجرس 

يشير إلى لون النغمة أو إحساس الصوت، فتنتج الأصوات ذات الأجراس المختلفة أشكال موجات مختلفة تؤثر على تفسيرنا للصوت، فمثلًا الصوت الناتج عن البيانو له لون نغمة مختلف عن الجيتار، ولكن في الفيزياء، نشير إلى هذا على أنه جرس الصوت، وإنه ما يسمح للبشر بالتعرف بسرعة على الأصوات (على سبيل المثال مواء القطة، والمياه الجارية).

4) المدة أو الإيقاع 

في الموسيقى، المدة هي مقدار الوقت الذي تستمر فيه النغمة أو النغمة، فيمكن وصفها بأنها طويلة أو قصيرة أو أنها تستغرق بعض الوقت، وتؤثر مدة النغمة أو النغمة على الجرس وإيقاع الصوت، ولكن في الفيزياء، تبدأ مدة الصوت أو النغمة بمجرد تسجيله، وتنتهي بعد أن يتعذر اكتشافه. 

خصائص الموجات الصوتية

يوجد خمس خصائص رئيسية للموجات الصوتية:

الطول الموجي، السعة، التردد، الفترة الزمنية، والسرعة.

1) يشير الطول الموجي للموجة الصوتية إلى المسافة التي تقطعها الموجة قبل أن تكرر نفسها، حيث أن الطول الموجي عبارة عن موجة طولية تُظهر انضغاطات الموجة الصوتية وتخلخلها.

2) تحدد سعة الموجة الحد الأقصى للإزاحة للجسيمات التي تزعجها الموجة الصوتية أثناء مرورها عبر وسط، حيث تشير السعة الكبيرة إلى وجود موجة صوتية كبيرة. 

3) يوضح تردد الموجة الصوتية إلى عدد الموجات الصوتية المنتجة في كل ثانية، فتنتج الأصوات منخفضة التردد موجات صوتية أقل من الأصوات عالية التردد. 

4) الفترة الزمنية للموجة الصوتية هي مقدار الوقت المطلوب لإنشاء دورة موجة كاملة، فمع كل اهتزاز من مصدر الصوت، تنتج موجات، وتبدأ كل دورة موجة كاملة بقاع، وتنتهي عند بداية القاع التالي. 

5) تخبرنا سرعة الموجة الصوتية عن مدى سرعة تحرك الموجة ويتم التعبير عنها بالمتر لكل ثانية.

أنواع الموجات 

تنقسم الموجات الصوتية إلى ثلاث فئات:

الموجات الطولية، والموجات الميكانيكية، وموجات الضغط. 

1) موجات الصوت الطولية

هي موجة تكون فيها حركة جزيئات الوسيط موازية لاتجاه نقل الطاقة، فالموجات الصوتية في الهواء والسوائل هي موجات طولية، لأن الجسيمات التي تنقل الصوت تهتز بالتوازي مع اتجاه انتقال الموجة الصوتية.

2) موجات الصوت الميكانيكية

هي موجة تعتمد على تذبذب المادة، مما يعني أنها تنقل الطاقة عبر وسيط لتنتشر، فمن أمثلة الموجات الميكانيكية في الطبيعة موجات الماء، والموجات الصوتية، والموجات الزلزالية، وموجات المياه الداخلية (والتي تحدث بسبب اختلافات الكثافة في جسم مائي).

وهناك ثلاثة أنواع من الموجات الميكانيكية: الموجات المستعرضة، والموجات الطولية، والموجات السطحية.

3) موجات ضغط الصوت

 موجة الضغط أو موجة الانضغاط، لها نمط منتظم لمناطق الضغط المرتفع والمنخفض، وهذا لأن الموجات الصوتية تتكون من انضغاطات وخلخلة، تتأرجح مناطقها بين أنماط الضغط المنخفض والعالي، ولهذا السبب تعتبر الموجات الصوتية بمثابة موجات ضغط.

هل يمكننا سماع الصوت في الفضاء؟ 

قيل منذ فترة طويلة أنه لا يوجد صوت في الفضاء، وهذا صحيح إلى حد ما، لأن الصوت التقليدي يتطلب وسيطًا يتنقل عبره، ويتم إنشاؤه عندما تنضغط الجسيمات وتتضاءل، مما يجعل أي شيء من “دوي مرتفع” لنبضة واحدة إلى نغمة متسقة للأنماط المتكررة.

ففي الفضاء حيث يوجد عدد قليل جدًا من الجسيمات بحيث تموت مثل هذه الإشارات حتى التوهجات الشمسية والمستعرات الأعظمية واندماجات الثقب الأسود والكوارث الكونية الأخرى تصبح صامتة قبل سماعها. 

ولكن هناك نوع آخر من الانضغاط والخلافة لا يتطلب أي شيء آخر غير نسيج الفضاء نفسه للتنقل عبره: موجات الجاذبية، بفضل نتائج الاكتشاف الإيجابية الأولى من LIGO نسمع الكون لأول مرة.

توقعت نظرية أينشتاين أنه على مدى أوقات طويلة بما فيه الكفاية، سوف تتحلل مدارات الجاذبية، ولكن بالنسبة لشيء مثل الأرض التي تدور حول الشمس، فلن تعيش أبدًا لتجربتها لأن الأمر سيستغرق 10 ^ 150 عامًا لتتحول الأرض إلى الشمس. 

لكن بالنسبة للأنظمة الأكثر تطرفًا (مثل نجمين نيوترونيين يدوران حول بعضهما البعض)، يمكننا في الواقع رؤية المدارات تتحلل بمرور الوقت. 

فمن أجل الحفاظ على الطاقة، تنبأت نظرية أينشتاين في الجاذبية بأنه يجب نقل الطاقة بعيدًا في شكل موجات ثقالية، فإن هذه الموجات ضعيفة بشكل جنوني، وتأثيراتها على الأجسام في الزمكان صغيرة للغاية، ولكن إذا كنت تعرف كيف تستمع إليها، يمكنك اكتشاف هذه الإشارات وسماعها تمامًا كما تسمع أي صوت آخر.

المصدر

كتابة: آية عادل