الصوت هوتردد آلي، أوموجة قادرة على التحرك في وسط مادي مثل الهواء، والأجسام الصلبة، السوائل، والغازات، ولا تنتشر في الفراغ (إذا وضعنا جرسًا في ناقوس زجاجي وفرغنا الناقوس من الهواء، فإننا لا نسمع صوت الجرس عندما يدق بسبب عدم انتنطق هزات (صوت) الجرس في الفراغ). وباستطاعة الكائن الحي تحسس الصوت عن طريق عضوخاص يسمى الأذن. ومصادر الصوت في الطبيعة كثيرة، كانفجارات البراكين وأصوات الرعد؛ ويصدر من حركة الأجسام، كحركة السيارات والطائرات. من منظور فهم الأحياء الصوت هوإشارة تحتوي على نغمة أوعدة نغمات تصدر من الكائن الحي الذي يملك العضوالباعث للصوت، تستعمل كوسيلة اتصال بينه وبين كائن آخر من جنسه أومن جنس آخر، يعبر من خلالها عما يريد قوله أوعمله بوعي أوبغير وعي مسبق، ويسمى الإحساس الذي تسببه تلك الذبذبات بحاسة السمع.

ويعد الصوت أساس الكثير من الخبرات التي يكتسبها الإنسان. وقد كان الإنسان في الماضي لا يعتمد على الأصوات التي يصدرها من حنجرته فحسب، وإنما أيضًا على أصوات الطبول والأدوات التي تحدث الجلجلة والخشخشة وأيضًا بالمزامير.

وتقدر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي ب 343 متر في الثانية أو1224 كيلومتر في الساعة. تتعلق سرعة الصوت بصلابة وكثافة المادة التي يتحرك فيها الصوت وكذلك تعتمد على درجة حرارته.

• الصوت هواهتزاز ميكانيكي للوسط، الموجة الصوتية هي إحدى أشكال الصوت (نماذج الانتشار) التي يتميز بها الصوت، وكمثال على نماذج أخرى: التيارات الصوتية والتدفق الصوتي.
• هنالك عوامل أخرى تؤثر على انتشار الصوت وسرعته كطبيعة المادة (اللزوجة، والكثافة، ودرجة الحرارة، وتأثر الوسط بمجال مغناطيسي). فالصوت ينتقل في الهواء والماء والغازات والسوائل وفي قضيب الحديد أوالنحاس أوحتى عبر الحوائط والجدران.
• يستطيع الإنسان سماع الصوت عند ترددات بين نحو20 هيرتز (أي 20 اهتزازة في الثانية) و20 كيلوهيرتز (أي 20 ألف اهتزازة في الثانية). الصوت ذوتردد أعلى من 20.000 هيرتز يسمى تردد فوق صوتي وأما الصوت في ترددات أقل من 20 هيرتز فهي ترددات تحت صوتية، وتختلف نطاقات سماع الحيوانات عن نطاقات سماع الإنسان.

التعريف الفيزيائي

تجربة تستخدم شوكتين رنانتين لهما رنين بنفس التردد عندما نطرق أحدهما بمطرقة خشبية أومن المطاط، نجد حتى الشوكة الثانية تهتز كالأولى بنفس التردد ويحدث رنين بينهما. ذلك حتى اهتزاز الهواء الناشيء من اهتزاز الشوكة الأولى يجعل الشوكة الثانية تهتز أيضًا حيث حتى الشوكتين لهما نفس التردد.

من وجهة نظر الفيزياء فالصوت هوموجة. وتنتشر الموجة في السوائل والغازات كموجة طولية وهي كذلك أيضًا في الهواء؛ أي ينتشر الصوت مثلًا في الهواء بطريقة يتردد فيها ضغط الهواء بطريقة دورية بمعنى منطقة هواء مضغوط يتلوه منطقة هواء مخلخل ويتلوه منطقة هواء مضغوط إلى غير ذلك. فيكون تغير الموجة في نفس اتجاه انتشار الصوت. أما في المواد الصلبة فينتشر الصوت في موجات عرضية (أي تكون موجاته عمودية على اتجاه انتشار الصوت). وتحرك موجات الصوت جزيئات الوسط (غالبًا الهواء) حول حالة وسطية بين الزيادة والنقصان (منطقة هواء مضغوط تتبعه منطقة هواء مخلخل تتبعه منطقة هواء مضغوط وتتبعه منطقة هواء مخلخل، إلى غير ذلك) وتنتشر في الهواء بسرعة خاصة، ويرمز لسرعة الصوت c. ولكي تنتقل موجات الصوت فهي بحاجة إلى وسط تنتشر فيه، مثل الهواء أوالماء أوالسوائل أوفي وسط مادة صلبة، مثل قضيب من النحاس أوحديد، كذلك نسمع الصوت عبر الحائط؛ ولا ينتشر الصوت في الفراغ.

وتعتمد سرعة الصوت على الوسط الذي ينقلها. وتبلغ سرعة الصوت في الهواء 343 متر في الثانية عند درجة حرارة 20 درجة مئوية و1407 متر /ثانية في الماء عند درجة الصفر المئوي.

يمكن حساب طول الموجة الصوتية ${\displaystyle \mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}$f وسرعة الصوت c بواسطة المعادلة:

${\displaystyle \lambda ={\frac {c {f$

وفي العادة تكون اختلافات في الضغط أوفي الكثافة سببًا في تغير سرعتها. ويتضح هذا عندما نتصور مستوى لضغط الصوت يقدر ب 130 dBديسيبل. وهذا يبلغ درجة تألم أذن الإنسان، ويمثل به الضغط الجوي العادي: يبلغ الضغط الجوي للهواء الساكن 101.325 باسكال، في حين حتى مستوى ضغط صوت قدره 130 dB له قيمة عملية لضغط الصوت p تبلغ 63 باسكال فقط.

خصائص الموجات الصوتية

يعتبر الصوت أحد الظواهر الهامة التي يستعملها الإنسان والحيوان للتخطيط والتفاهم عن طريق حاسة السمع (الأذن) التي يتم بواسطتها تحويل الصوت من موجات صوتية إلى إشارات كهربائية عن طريق الأذن والمخ والتي تتحول إلى معلومات مفهومة وتضم هذه الظواهر جميع الأصوات على اختلاف مصادرها ووسائلها.

مثلًا سماع الأصوات من الآلات الموسيقية وتعدد وسائل الاتصالات المسموعة التي تعتمد على تحويل الطاقة من صورة إلى أخرى وتطور الأجهزة الصوتية التي تأخذ أشكالًا متعددة في تطبيقاتها الحديثة في مجالات الطب والصناعة والزراعة وغيرها تجعل الفهماء والمهتمين بهذا المجال يكثفون الجهد لفهم الظواهر الموجية من حيث مصادرها وكيفية حدوثها وطرق انتشارها والعوامل التي تتحكم فيها ومدى الاستفادة منها.

إذا لاحظنا بعناية الطرق التي يحدث بها الصوت نجد أنه لابد من بذل شغل في جميع حالة. الموسيقى يبذل شغلًا لتحريك أوتار الآلة الموسيقية كما حتى الصوت الناتج عندما تصفق يديك لتشجيع فريقًا رياضيًا مثلًا يأتي من بذل شغل وهذا الشغل المبذول بواسطة اليدين يسبب اضطرابًا في الهواء المحيط متحولًا إلى طاقة صوتية تتشكل على شكل موجات منتظمة عليه فإن الصوت صورة من صور الطاقة إذا استقبلتها الأذن يحدث الإحساس بالسمع.

وتعتبر دراسة «الصوت» من المواضيع المهمة حيث تستخدم هذه الدراسات في أبحاث الطيران والفضاء والطاقة المتجددة والطاقة النووية والأبحاث الطبية.

ويمكن توليد الصوت بوسائل ميكانيكية أوحرارية. وتستخدم الوسائل الحرارية في بناء المبردات الصوتية الحرارية وكذلك في عمليات الكشف عن الماء الموجود في النفط

تصنيفات الموجات الصوتية

تصنف الموجات الصوتية طبقًا لتردداتها كما يلي:

الموجات فوق السمعية

هي الموجات التي تزيد تردداتها على 20 ألف هيرتز والتي تقع خارج نطاق حاسة الاذن البشرية. وهذا النوع من الموجات ما زال موضع درس واهتمام مكثف نظرًا للتطبيقات المهمة التي تمس مجالات عديدة في الصناعة والطب وغيرهما. وقد أصبح بالإمكان إنتاج موجات فوق صوتية تزيد تردداتها على 1.000.000 هيرتز ولا تختلف هذه الموجات من حيث الخواص عن الموجات الصوتية الأخــرى إلا أنه نظرًا لقصر طول موجاتها فإنه بالإمكان حتى تنتقل على هيئة أشعة دقيقة عالية الطاقة.

الموجات السمعية

وهي تلك التي تقع ضمن قدرة الانسان على السمع، حيث يمكن له من خلال وقوعها ضمن التردد تمييزها والتفاعل معها بكل سهولة، والتيقد يكون ترددها بين 20 هيرتز و20.000 هيرتز.

الموجات دون السمعية

هي الموجات الصوتية التي يقل ترددها عن 20 هيرتز ولا تستطيع الأذن البشرية الإحساس بها وأهم مصدر لها هوالحركة الاهتزازية والانزلاقية لطبقات القشرة الأرضية وما ينتج عنها من زلازل وبراكين وعليه فإنها مهمة جدًا في رصد الزلازل وتتبع نشاط البراكين. وتستطيع بعض الحيوانات الإحساس بالزلازل قبل حدوثها.

سرعة الصوت

تختلف سرعة الصوت حسب نوع الوسط الذي تنتشر فيه الموجات الصوتية ودرجة الحرارة فتكون أعلى في المواد الصلبة وأقل في السوائل وأقل بكثير في الغازات. وبالنسبة لانتشار الصوت في الهواء فيعتمد على الضغط، أي حتى سرعة الصوت تقل بالارتفاع عن سطح الأرض.

وسرعة الموجات الصوتية في الموائع تعطى بالمعادلة

${\displaystyle v={\sqrt {\frac {E {d$

وسرعة الصوت في الهواء عند درجة الصفر المئوي هي 331.1 م/ث وتزداد هذه السرعة بارتفاع درجة الحرارة. تقدر سرعة الصوت في الماء بـ 1450 م/ث عند الدرجة القياسية (15 درجة مئوية). وتتراوح هذه السرعة في المواد الصلبة بين 3000 و6000 متر/ثانية فهي مثلًا 5100 م/ث للحديد والألومنيوم و3560 م/ث للنحاس وتبلغ 5200 متر في الثانية في الزجاج.

مستوى ضغط الصوت

ضغط الصوت هوالفرق -بالنسبة إلى وسط معين- بين متوسط الضغط الموضعي والضغط في موجة الصوت. يؤخذ متوسط مربع هذا الفرق (مطال)، ثم يحسب منه الجذر التربيعي فينتج جذر متوسط التربيعات.

وعلى سبيل المثال، 1 باسكال متوسط جذر التربيع لضغط الصوت (94 ديسيبل) في الجومعناه حتى الضغط العملي في موجة الصوت تهتز بين (1 ضغط جوي ${\displaystyle -<!--\; -\; -->\sqrt{2}}$

وتستطيع الأذن البشرية سماع الصوت في نطاق واسع من المطالات، وغالبًا ما يقاس ضغط الصوت بواسطة مستوى لوغاريتمي للقياس ديسيبل. ويعهد مستوى ضغط الصوت ورمزه L_p بالمعادلة:

${\displaystyle L_{\mathrm {p =10\,\log _{10 \left({\frac {{p ^{2 {{p_{\mathrm {ref ^{2 \right)=20\,\log _{10 \left({\frac {p {p_{\mathrm {ref \right){\mbox{ dB$

حيث:

p جذر متوسط التربيعات لضغط الصوت،

و${\displaystyle p_{\mathrm {ref$ ضغط الصوت العياري.

وتعهد ضغوط الصوت العيارية عادة طبقًا للنظام العياري الوطني الأمريكي ANSI S1.1-1994 من 20 ميكروباسكال في الهواء و1 ميكروباسكال µPa في الماء. وبدون ذكر النظام العياري لضغط الصوت فلا تعبر قيمة بالديسيبل عن مستوى ضغط الصوت.

ونظرًا لأن الأذن البشرية ليس لها استشعار مستوى لترددات الصوت فإن ضغط الصوت عادة ما يوازن بالتردد بحيث يطابق المستوى المقاس عمليًا مستوى السمع بالتقريب.

وقامت المفوضية الدولية للتكنولوجيا الكهربائية بتعريف عدة نظم للموازنة. منها الموازنة A-weighting وهي تحاول تمثيل استجابة الأذن البشرية للشوشرة، والموازنة من النوع A توازن مستويات ضغط الصوت يرمز لها دي بي إيه db A. وتستخدم موازنة نوع C لقياس مستويات قممية عالية.

شدة وجهارة الصوت

المهتز الذي ينشر الموجة الصوتية يبعث الطاقة مع هذه الموجة، وتُعهد شدة الصوت بدلالة الطاقة التي تحملها هذه الموجة، ولكي نتحرى الدقة نرسم مساحة قدرها الوحدة عمودية على اتجاه الانتشار، وعندئذٍ يفترض أن نعهد شدة الموجة بأنها الطاقة التي تحملها الموجة في الثانية عبر وحدة المساحات العمودية على اتجاه انتشار الموجة، وحيث حتى الشدة هي الطاقة في الثانية، إذن شدة الصوت هي القدرة المارة خلال وحدة مساحات عمودية على اتجاه انتشار الموجة، ووحدات شدة الصوت هي الواط لكل متر مربع.

يوضح الجدول شدة بعض الأصوات، لاحظ حتى مدى شدة الصوت الذي تستطيع الإذن حتى تسمعه واسع جداً.

* إذا كان الشخص قريباً من مصدر الصوت

للتعبير عن طريقة استجابة الإذن للأصوات بطريقة أفضل يُستخدم عادةً مقياس شدة الصوت، أومقياس الديسيبل، المبني على قوى الرقم 10.

ويمكن حتى نلاحظ في مقياس الديسيبل حتى الحد الأدنى لشدة الصوت المسموع بالكاد للإذن المتوسطة أي (${\displaystyle 10^{-12 W/m^{2$) هوالصفر في مقياس الديسيبل، وحدثا ازدادت شدة الصوتعشرة أضعاف يرتفع مستوى شدة الصوت بالديسيبل بمقدارعشرة وحدات، وقد عثر حتى الإذن تحكم على الأصوات طبقاً لمقياس الديسيبل.

تصنيف الصوت تبعًا للتردد

بحسب التردد يصنف الصوت إلى الأنواع:

• تحت الصوتية، وهي أقل من 20 هرتز وهي غير مسموعة للأذن البشرية حيث التردد منخفض جدًا،
• نطاق السمع، وهويمتد من 20 هرتز إلى نحو20.000 هرتز، وهي أصوات مسموعة للبشر،
• فوق صوتية، بين 20.000 هرتز إلىستة و1 جيجا هرتز (1.6 مليار ذبذبة في الثانية)، وهي غير مسموعة للبشر، حيث ترددها عالي.
• صوتية فائقة، موجات صوتية ترددها أكبر من 1 مليار هرتز (1 مليار ذبذبة/ثانية)، وهذه قد لا تنتشر.

من خصائص الأمواج الصوتية:

تتألف الموجة الصوتية أوالأمواج الصوتية في أي وسط من حركة اهتزازية حركة اهتزازية سريعة للجزيئات التي تألف الوسط. فحركة إحدى جزيئات الوسط تؤدي إلى اضطراب الجزيئات المجاورة، وهذه بدورها تقوم بنفس العمل، إلى غير ذلك دواليك، بحيث حتى موجة من الاضطراب تعبر الوسط ابتداء من نقطة الحركة الأولى. وعندما تهتز الشوكة الرنانة في الهواء، فإن حركة الشعبة المهتزة إلى الأمام تضغط الهواء المجاور. إلا أنه سرعان ماتعود هذه المنطقة المنضغطة من الهواء إلى حالتها الاعتيادية بفضل الخاصة المطاطية للهواء وعلى حساب انضغاط المناطق المجاورة، بحيث حتى موجة من الضغط الزائد تنتشر ابتداء من الشعبة المهتزة من الشوكة الرنانة، وبنفس الطريقة فإن حركة الشعبة المهتزة إلى الخلف تولد موجة من الضغط الناقص أوالتخلخل.

تولد الشوكة الرنانة على هذه الشاكلة ما نسميه بالصوت الصافي Pure Tone الذي يعبر عنه كميا بعنصرين هما تواتر الاهتزاز Frequency وسعته Amplitude مطاله أوشدته Intensity.

إن ذروة الشوكة رنانة - وبالتالي أي جزيئة من جزيئات الوسط المجاور لها -تعاني حركة بسيطة منسجمة في الاتجاه الرئيسي لانتشار الموجة بحيث يمكن تمثيل مواضع هذه الجزيئة في حركتها بالنسبة للزمن بموجة جيبية. أما إذا كانت حركة مصدر الاهتزاز حركة غير بسيطة ولا منسجمة نحوالأمام والخلف، فإن شكل الموجةقد يكون معقدا وهذه هي صفة أكثر المنبهات الصوتية الطبيعية.

هذا ويمكن رياضيا تحليل الموجة المعقدة إلى موجتين أوأكثر من الموجات الجيبية التي يمكن حينئذ تحديدها بالعنصرين السابقين، أي التواتر والشدة.

شدة الموجة الصوتية:

هي كمية الطاقة التي تؤثر في سنتيمتر مربع واحد من الوسط أثناء مرور الموجة الصوتية، حيث حتى وحدة الديسيبل هي الواحدة المستعملة للتعبير عن كمية طاقة الموجة. ونظرا للشدات الصوتية المتغيرة بشكل كبير والتي تستقبلها الأذن وتميزها، فإن هذه الشدات يعبر عنها بمصطلحات لوغاريتمية لقيمها الحقيقية.

عندما نقول حتى شدة صوت ما هي كذا ديسبلات فهذا يعني حتى هذا الرقم هوعشرة أضعاف لوغاريتم نسبة طاقة هذا الصوت إلى طاقة أخرى متفق عليها.

الطاقة = (الضغط)2

ديسبل =عشرة X (الضغط)2

ديسبل =عشرة X الطاقة

مثال على ذلك: إذا الفرق بين أقل شدة وأقوى شدة تتحملها أذن الإنسان هي (120) ديسبل. وهذه الكمية هي نسبة طاقة صوت الرعد القوي إلى طاقة صوت في العتبة الدنيا للسمع، ويمثل الديسبل الواحد زيادة حقيقية في قدرة الصوت تعادل 1، 26 مرة.

ولما كان الديسبل مقياس نسب، فلا بد من اعتماد معيار أومستند للمقارنة به والنسبة إليه. فيمكن الاعتماد مثلا على العتبة الدنيا للسمع، ولكن هذا المعيار يختلف من إنسان لآخر ويختلف كثيرا باختلاف تواترات الصوت.

لذلك وتلافيا لهذه الاعتبارات، اتفق المعنيون بهذا الأمر على اعتماد معيار اتفاقي هوالميكروواط. ولما كان الواط هومقياس لمعدل تدفق الطاقة لكل سنتيمتر مربع فالميكروواط يقارب العتبة الدنيا للسمع السماح بسماع صوت تواتره (1000) ذبذبة في الثانية.

انظر أيضا

• معادلة موجية
• تخلخل
• موجة فوق صوتية
• موجة تحت صوتية
• اختراق جدار الصوت
• سرعة الصوت
• رنين صوتي

مراجع

وصلات خارجية

• مقدمة فيزياء الصوت (بالإنجليزية)
• تحويل وحدات الصوت والمستويات (بالإنجليزية)
• الحسابات الصوتية (بالإنجليزية)