مفهوم الصوت وخصائصه

ما هو مفهوم الصوت؟

تعريف الصوت في العلم، هو نقل الطاقة من جسم مهتز في موجات تنتقل عبر المادة، حيث يستخدم معظم الناس مصطلح الصوت ليعني ما يسمعونه عندما تدخل الموجات الصوتية إلى آذانهم.

تخلق الشجرة موجات صوتية عندما تسقط على الأرض، فتصدر الصوت حسب التعريف العلمي لكن الصوت لن تكتشفه آذان الشخص إذا لم يكن هناك أحد في الغابة، لذا فإن الإجابة على سؤال لماذا تصدر الشجرة صوتًا عندما تصطدم بالأرض، وكيف يصل الصوت إلى آذان الناس إذا تصادف وجودهم في الغابة.

كل الأصوات تبدأ بالاهتزاز، إذ يمكن أن تكون الأرض تهتز عندما تسقط الشجرة أو يمكن أن تكون أوتار الجيتار تهتز عند نتفها، كما يمكنك رؤية وتر الجيتار يهتز حيث يدفع الوتر المهتز بشكل متكرر ضد جزيئات الهواء المجاورة له، مما يتسبب ضغط الوتر المهتز في اهتزاز جزيئات الهواء هذه وتتناوب جزيئات الهواء معًا وتنتشر.

إذ تبدأ موجات من الاهتزازات التي تنتقل عبر الهواء في جميع الاتجاهات بعيدا عن الأوتار حيث تمر الاهتزازات عبر الهواء كموجات طولية، مع اهتزاز جسيمات الهواء الفردية ذهابًا وإيابًا في نفس الاتجاه الذي تنتقل فيه الموجات، ويمكن تخيل الرسوم المتحركة لموجات الصوت تتحرك في الهواء.

الصوت والمادة:

الموجات الصوتية هي موجات ميكانيكية، لذلك يمكنها السفر فقط من خلال المادة وليس عبر الفضاء الفارغ، حيث تم توضيح ذلك في القرن السابع عشر من قبل عالم يدعى روبرت بويل، وضع بويل ساعة موقوتة في جرة زجاجية محكمة الغلق إذ كان من الممكن سماع دقات الساعة في الهواء وزجاج البرطمان، ثم قام بويل بضخ الهواء من الجرة فكانت الساعة لا تزال قيد التشغيل، ولكن لم يعد بالإمكان سماع الدقات؛ وذلك لأن الصوت لا يمكن أن ينتقل بعيدًا عن الساعة بدون جزيئات الهواء لتمرير الطاقة الصوتية.

يمكن أن تنتقل الموجات الصوتية عبر أنواع مختلفة من المادة، إذ تنتقل معظم الأصوات التي نسمعها عبر الهواء، ولكن يمكن أيضًا أن تنتقل الأصوات عبر السوائل مثل الماء والمواد الصلبة مثل الزجاج والمعادن، عند السباحة تحت الماء – أو حتى عند غمر الأذنين في ماء الاستحمام – فإن أي أصوات تسمع تنتقل إلى الأذن عبر الماء، كما يمكن معرفة أن الأصوات تنتقل عبر الزجاج والمواد الصلبة الأخرى؛ لأنه يمكن سماع أصوات عالية في الهواء الطلق مثل صفارات الإنذار من خلال النوافذ والأبواب المغلقة.

خصائص الصوت:

الصوت له خصائص مميزة معينة بسبب الطريقة التي تنتقل بها الطاقة الصوتية في الموجات، حيث تشمل خصائص الصوت السرعة والجهارة والنبرة.

سرعة الصوت:

تعرف سرعة الصوت أنها المسافة التي تقطعها الموجات الصوتية في فترة زمنية معينة، حيث أن الصوت ينتقل ببطء أكثر من الضوء، ولهذا السبب عادة ما ترى وميض البرق قبل أن تسمع دوي الرعد ومع ذلك، فإن سرعة الصوت ليست ثابتة يختلف تبعًا لوسط الموجات الصوتية.

تختلف سرعة الصوت في العديد من الوسائط المختلفة وبشكل عام، تنتقل الموجات الصوتية بشكل أسرع عبر المواد الصلبة وأبطأ من خلال الغازات؛ وذلك لأن جسيمات المواد الصلبة قريبة من بعضها ويمكنها أن تمرر طاقة الاهتزازات بسرعة إلى الجسيمات القريبة.

تعتمد سرعة الصوت أيضًا على درجة حرارة الوسط، وبالنسبة لوسط معين مثل الهواء يكون للصوت سرعة أبطأ في درجات الحرارة المنخفضة، إذ يمكن مقارنة سرعة الصوت في الهواء عند درجات حرارة مختلفة، حيث تعني درجة الحرارة المنخفضة أن جزيئات الوسط تتحرك بشكل أبطأ، لذلك يستغرق الأمر وقتًا أطول لنقل طاقة الموجات الصوتية، كما تؤثر كمية بخار الماء في الهواء على سرعة الصوت أيضًا.

جهارة الصوت:

قد يهمس أحد الأصدقاء في الفصل بصوت رقيق لدرجة أنه يتعين الاقتراب جدًا لسماع ما يقوله، وفي وقت لاحق من ذلك اليوم قد يصرخ صديق عبر ملعب كرة القدم، حيث يكون صوته مرتفع بما يكفي لتسمعه بوضوح رغم أنه يبعد عدة أمتار، من الواضح أن الأصوات يمكن أن تختلف في جهارة الصوت، إذ تشير الجهارة إلى مدى ارتفاع الصوت أو خفته بالنسبة للمستمع، ويتم تحديد ارتفاع الصوت بدوره من خلال شدة الصوت، حيث تعرف الشدة بأنها مقياس لكمية الطاقة في الموجات الصوتية ووحدة الشدة هي (ديسيبل).

يمكن رؤية مستويات ديسيبل نموذجية للعديد من الأصوات المختلفة، بحيث مع ارتفاع مستويات الديسيبل، تزداد شدة الموجات الصوتية وتكون الأصوات أعلى، ولكل 10 ديسيبل زيادة في شدة الصوت، يكون جهارة الصوت أكبر 10 مرات لذلك، فإن الغرفة “الهادئة” التي تبلغ سعتها 30 ديسيبل أعلى بـ 10 مرات من صوت الهمس بقدرة 20 ديسيبل، كما أن معدل هطول الأمطار الخفيف بقوة 40 ديسيبل أعلى 100 مرة من صوت الهمس بقدرة 20 ديسيبل.

تحدد شدة الموجات الصوتية جهارة الصوت، ولكن ما الذي يحدد شدتها، الشدة هي دالة لعاملين: اتساع الموجات الصوتية ومدى انتقالها من مصدر الصوت، حيث أن الموجات الصوتية تبدأ من مصدر اهتزازات وتنتشر من المصدر في جميع الاتجاهات، حيث كلما ابتعدت الموجات الصوتية عن المصدر زاد انتشار طاقتها، كما يفسر الانخفاض في الشدة مع المسافة من مصدر الصوت سبب تلاشي الأصوات العالية أثناء تحركك بعيدًا عن المصدر، ويشرح سبب إمكانية سماع الأصوات منخفضة السعة فقط على مسافات قصيرة.

تردد الموجات الصوتية:

يتم قياس تردد الموجات الصوتية بالهرتز (هرتز) أو عدد الموجات التي تمر بنقطة ثابتة في الثانية، حيث يستطيع البشر عادةً سماع الأصوات بتردد يتراوح بين 20 هرتز و20000 هرتز، وتسمى الأصوات ذات الترددات الأقل من 20 هرتز بالموجات فوق الصوتية، أما الأصوات ذات الترددات الأعلى من 20000 هرتز تسمى الموجات فوق الصوتية.

يمكن لبعض الحيوانات الأخرى سماع الأصوات في نطاق الموجات فوق الصوتية، على سبيل المثال، يمكن للكلاب سماع الأصوات بترددات تصل إلى 50000 هرتز، وهناك صفارات خاصة للكلاب ولكن لا يمكن للناس سماعها حيث تصدر الصفارات صوتًا بتردد مرتفع جدًا بحيث يتعذر على الأذن البشرية اكتشافه، كما يمكن للحيوانات الأخرى سماع أصوات ذات تردد أعلى إذ يمكن للخفافيش، على سبيل المثال سماع الأصوات بترددات أعلى من 100000 هرتز.

ما هو تأثير دوبلر:

تنتقل الموجات الصوتية من صفارات الإنذار إلى الخارج في جميع الاتجاهات، بحيث أن سيارة الشرطة عند سيرها للأمام، تتجمع الموجات الصوتية أمام السيارة وتنتشر خلفها، وعندما تقترب السيارة من شخص موجود على يمينها تقترب الموجات الصوتية من بعضها البعض، وبمعنى آخر لديهم تردد أعلى، وهذا يجعل صوت صفارات الإنذار أعلى في حدة.
اذا أسرع شخص موجود على يسار السيارة على سبيل المثال، تنتشر الموجات الصوتية أكثر فأكثر بحيث يكون لها تردد أقل، مما يجعل صوت صفارات الإنذار أقل حدة، حيث يسمى التغيير في تردد الموجات الصوتية بالنسبة إلى المستمع الثابت، عندما يتحرك مصدر الموجات الصوتية بتأثير دوبلر.