انعكاس وانكسار الصوت

مفهوم الصوت:

الصوت هو شكل من أشكال الطاقة التي تنتقل على شكل موجات طولية ميكانيكية، كما يمكن أن تنتقل الموجات الصوتية عبر المواد الصلبة والسوائل والغازات، ولكن ليس من خلال الفراغ، إذ تتضمن الموجات الصوتية مناطق متناوبة من الضغط العالي (الضغط) والضغط المنخفض (التخلخل).

حيث يتم تمثيل الانضغاطات من خلال القمم ويتم تمثيل الخلود بالقيعان، مثل كل الموجات، فإن تردد الموجة الصوتية وطولها الموجي وسرعتها مرتبطة رياضيًا، كما هو موضح بالصيغة التالية: صيغة الموجة سرعة تردد الطول الموجي يرتبط تردد الموجة الصوتية بنبراتها – فكلما زاد التردد، زادت طبقة الصوت، ويرتبط اتساع الموجة الصوتية بصوتها العالي – فكلما زاد السعة، ارتفع الصوت.

يتم قياس جهارة (شدة) الصوت باستخدام مقياس ديسيبل، حيث يستخدم هذا وحدات الديسيبل، والتي لها الرمز dB، إذ ان مقياس الديسيبل هو مقياس لوغاريتمي، مما يعني أنه مقابل كل زيادة بمقدار 10 ديسيبل في مستوى الصوت، هناك زيادة بمقدار 10 أضعاف في شدة الصوت.

يمكن للبشر اكتشاف الأصوات التي تتراوح من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز، ولكن هذا يختلف حسب العمر والجنس ونمط الحياة والعوامل البيئية، كما يمكن لبعض الحيوانات اكتشاف الموجات الصوتية بترددات خارج هذا النطاق، حيث أن الصوت تحت الصوتي بترددات أقل من 20 هرتز، أما الموجات فوق الصوتية هي صوت بترددات أعلى من 20 كيلو هرتز.

يوجد ثلاث نتائج ممكنة عندما تصادف موجة صوتية شيئًا: انتقال الصوت، انعكاس الصوت وامتصاص الصوت.

مفهوم انعكاس الصوت:

على غرار الموجة الضوئية، عندما تصادف الموجة الصوتية شيئًا ما، يمكن أن يحدث أحد الأشياء الثلاثة: انتقال حيث تنتقل الموجة الصوتية عبر الكائن، وقد يحدث الانعكاس أي ترتد الموجة الصوتية عن الجسم، مما يؤدي غالبًا إلى صدى، كما قد يحدث الامتصاص بحيث تكون الموجة الصوتية “محاصرة” بواسطة الجسم، حيث تتحول طاقتها إلى كمية صغيرة من الحرارة.

عادةً ما يحدث مزيج من جميع العمليات الثلاث، مع اعتماد نسبة كل منها على تكوين الكائن وتردد الموجة الصوتية، إذ تعكس الأسطح الصلبة الصوت أكثر من الأسطح الناعمة، بينما الأجسام السميكة أو الأكثر كثافة تمتص المزيد من الصوت؛ وتنقل الأجسام الرقيقة أو الأقل كثافة صوتًا أكثر.

من المرجح أن يتم إرسال الأصوات منخفضة التردد؛ كما من المرجح أن تنعكس الأصوات عالية التردد أو تمتصها، مثال على ذلك عندما يضرب الصوت جدارًا من الطوب: فانه ينعكس معظم الصوت عن الحائط، بينما ينتقل بعض الصوت عبر الحائط ويمتص الجدار بعض الصوت، كما تزداد احتمالية انعكاس الترددات الأعلى، بينما تزداد احتمالية إرسال الترددات المنخفضة أو امتصاصها.

مثال آخر أيضا عندما يضرب الصوت وسادة: فانه ينتقل معظم الصوت من خلال الوسادة، بينما تمتص الوسادة بعض الأصوات؛ بحيث القليل جدًا من الصوت ينعكس على الوسادة، بينما تزداد احتمالية امتصاص الترددات الأعلى، كذلك تزداد احتمالية إرسال الترددات المنخفضة.

الامتصاص في حركة الموجة، هو نقل طاقة الموجة إلى المادة أثناء مرور الموجة خلالها، وتتناسب طاقة الموجة الصوتية أو الكهرومغناطيسية أو أي موجة أخرى مع مربع اتساعها؛ أي أقصى إزاحة أو حركة لنقطة على الموجة؛ وعندما تمر الموجة عبر مادة ما، يتناقص اتساعها بشكل مطرد.

انكسار الموجات الصوتية:

ينطوي الانعراج على انحناء أو انتشار موجة صوتية في وسط واحد، حيث تكون فيه سرعة الصوت ثابتة، وهناك حالة أخرى مهمة حيث تنحني الموجات الصوتية أو تنتشر تسمى الانكسار، إذ تتضمن هذه الظاهرة انحناء الموجة الصوتية بسبب التغيرات في سرعة الموجة.

يحدث انكسار مهم للصوت بسبب التدرج الطبيعي لدرجة الحرارة في الغلاف الجوي، وفي ظل الظروف العادية، تقوم الشمس بتسخين الأرض وتسخن الأرض الهواء المجاور، ثم يبرد الهواء الساخن مع ارتفاعه، مما يخلق تدرجًا تنخفض فيه درجة حرارة الغلاف الجوي مع الارتفاع بمقدار يُعرف باسم معدل الزوال الثابت.

نظرًا لأن الموجات الصوتية تنتشر بشكل أسرع في الهواء الدافئ، فإنها تنتقل أسرع بالقرب من الأرض، وهذه السرعة العالية للصوت في الهواء الدافئ بالقرب من الأرض تخلق موجات Huygens التي تنتشر بشكل أسرع بالقرب من الأرض.

نظرًا لأن الموجة الصوتية تنتشر في اتجاه عمودي على مقدمة الموجة التي شكلتها جميع موجات (Huygens)، فإن الصوت في ظل هذه الظروف يميل إلى الانكسار لأعلى ويصبح “مفقودًا”، ويمكن أن ينكسر صوت الرعد الناتج عن البرق إلى الأعلى بقوة بحيث يتم إنشاء منطقة الظل، حيث يمكن رؤية البرق ولكن لا يمكن سماع الرعد، بحيث يحدث هذا عادةً على مسافة أفقية تبلغ حوالي 22.5 كيلومترًا (14 ميلاً) من صاعقة يبلغ ارتفاعها حوالي 4 كيلومترات.

في الليل أو خلال فترات الغطاء السحابي الكثيف، يحدث انعكاس في درجة الحرارة؛ حيث تزداد درجة حرارة الهواء مع الارتفاع وتنكسر الموجات الصوتية عائدة إلى الأرض، انعكاس درجة الحرارة هو السبب في إمكانية سماع الأصوات بشكل أكثر وضوحًا على مسافات أطول في الليل مقارنة بالنهار – وهو تأثير غالبًا ما يُعزى بشكل غير صحيح إلى النتيجة النفسية للهدوء الليلي، كما يتم تحسين التأثير إذا تم نشر الصوت فوق الماء، مما يسمح بسماع الصوت بوضوح ملحوظ على مسافات بعيدة.

يمكن ملاحظة الانكسار أيضًا في الأيام العاصفة، حيث تتسبب الرياح التي تتحرك بشكل أسرع على ارتفاعات أعلى، في حدوث تغيير في السرعة الفعالة للصوت مع وجود مسافة فوق الأرض، وعندما يتحدث المرء مع الريح، تنكسر الموجة الصوتية عائدة إلى الأرض، ويمكن لصوت المرء أن “يحمل” أبعد مما كان عليه في يوم ساكن لكن عندما يتحدث المرء في الريح تنكسر الموجة الصوتية لأعلى بعيدًا عن الأرض، و”يضيع” الصوت.

ظاهرة الصدى:

الانعكاس هو خاصية مألوفة للموجات والصوت في ظاهرة الصدى، إذ يلعب هذا دورًا مهمًا في صوتيات القاعة، وفي جزء كبير منه يحدد مدى ملائمة قاعة الحفلات الموسيقية للأداء الموسيقي أو الوظائف الأخرى.

في حالة مرور الموجات الضوئية من الهواء عبر لوح زجاجي، يُظهر الفحص الدقيق أن بعض الضوء ينعكس على كل من واجهات الهواء الزجاجي بينما يمر الباقي عبر الزجاج، وتحدث هذه الظاهرة نفسها عندما تمر موجة صوتية من وسط إلى آخر أي عندما تتغير سرعة الصوت أو يتم تعديل طريقة انتشار الصوت بشكل كبير.

اتجاه انتشار الموجة عمودي على الجبهة التي تشكلها جميع موجات (Huygens)، بحيث عندما تنعكس الموجة المستوية عن بعض العاكس، يوجه العاكس جبهات الموجة التي شكلتها موجات (Huygens) تمامًا كما يوجه عاكس الضوء “أشعة” الضوء، إذ يتم اتباع نفس قانون الانعكاس لكل من الصوت والضوء، بحيث يكون تركيز الموجة الصوتية مكافئًا لتركيز شعاع الضوء.

تستخدم عاكسات الشكل المناسب لمجموعة متنوعة من الأغراض أو التأثيرات، وعلى سبيل المثال سيركز العاكس المكافئ موجة متوازية من الصوت على نقطة معينة، مما يسمح بسماع صوت ضعيف جدًا بسهولة أكبر، إذ تُستخدم هذه العواكس في الميكروفونات ذات القطع المكافئ لتجميع الصوت من مصدر بعيد أو لاختيار موقع يتم من خلاله ملاحظة الصوت ثم تركيزه على ميكروفون.

من ناحية أخرى يمكن استخدام الشكل الإهليلجي لتركيز الصوت من نقطة إلى أخرى ترتيب يسمى غرفة الهمس، بحيث تقترب القباب في الكاتدرائيات والعاصمة بشكل وثيق من شكل القطع الناقص، إذ تمتلك هذه المباني غالبًا نقاط محورية وتعمل كنوع من غرفة الهمس، كما يجب أن تتجنب قاعات الحفلات الموسيقية الشكل السلس والمنحني للقطوع الناقصة والقطع المكافئ؛ لأن الصدى القوي أو تركيز الصوت من نقطة إلى أخرى أمر غير مرغوب فيه في القاعة.

ما هي المعاوقة الصوتية؟

إحدى الخصائص الفيزيائية المهمة المتعلقة بانتشار الصوت هي المعاوقة الصوتية للوسط الذي تنتقل فيه الموجة الصوتية، حيث يتم إعطاء الممانعة الصوتية (Z) من خلال نسبة الضغط الصوتي للموجة (ρ) إلى سرعة حجمها (U).

مثل المعاوقة الكهربائية التناظرية (أو المقاومة الكهربائية)، فإن المعاوقة الصوتية هي مقياس للسهولة التي تنتشر بها الموجة الصوتية عبر وسط معين، حيث تتضمن المعاوقة الصوتية أيضًا مثل الممانعة الكهربائية، تأثيرات مختلفة عديدة تنطبق على مواقف مختلفة.

على سبيل المثال، المعاوقة الصوتية المحددة (z)، نسبة الضغط الصوتي إلى سرعة الجسيمات، هي خاصية متأصلة في الوسط وطبيعة الموجة، والممانعة الصوتية نسبة الضغط إلى سرعة الحجم، تساوي الممانعة الصوتية المحددة لكل وحدة مساحة.

تعتبر المعاوقة الصوتية المحددة مفيدة في مناقشة الموجات في الأوساط المحصورة، مثل الأنابيب والأبواق، وبالنسبة لأبسط حالة للموجة المستوية، فإن المعاوقة الصوتية المحددة هي ناتج كثافة التوازن (ρ) للوسيط وسرعة الموجة (S).

وحدة المعاوقة الصوتية المحددة هي ثانية باسكال لكل متر، وغالبًا ما تسمى رايل، نسبة الى اللورد رايلي، ووحدة المعاوقة الصوتية هي ثانية باسكال لكل متر مكعب، وتسمى أوم الصوتية بالقياس إلى الممانعة الكهربائية.