صوت
الصوت هوتردد آلي، أوموجة قادرة على التحرك في عدة أوساط مادية مثل الأجسام الصلبة، السوائل، والغازات،ولاتنتشر في الفراغ, وباستطاعة الكائن الحي تحسسه عن طريق عضوخا ص يسمى الأذن.
من منظور فهم الأحياء فالصوت 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 الأحساس الذي تسببه تلك الذبذبات بحاسة السمع وتقدر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي ب 340 متر في الثانية او1026 كم في الساعة. تتعلق سرعة الصوت بعامل الصلابة وكثافة المادة التي يتحرك فيها الصوت.
- الصوت هواهتزاز ميكانيكي للوسط ، الصوت ليس موجة بل الموجة هي إحدى الاشكال (نماذج الانتشار) التي يبرز ويتميزبها الصوت وكمثال على نماذج اخرى: التيارات الصوتية والتدفق الصوتي.
- هنالك عوامل اخرى تؤثر على انتشار الصوت وسرعته كطبيعة المادة (اللزوجة، تأثرها بالمجال المغناطيسي)
ويولد الصوت إحساساًَ مسموعاً في جميع مرة تحدث فيها حركة اهتزازية. ويحتاج الصوت كي ينتقل من منبع الاهتزاز إلى آذاننا إلى وسط مادي. ويمكن التحقق من ذلك بتجربة يوضع فيها [[جرس كهربائي]ي تحت ناقوس زجاجي. فإذا فرغ الهواء من الناقوس، انعدم سماع صوت الجرس خارجه. ويمكن للصوت حتى ينتشر في الأوساط المادية المتنوعة؛ الغازية والسائلة، والصلبة.
يبين الشكل (1) كيفية انتشار الأمواج الصوتية في أسطوانة مملوءة بالهواء. فإذا تحرك المكبس داخل الأسطوانة جيئة وذهاباً، تولدت في الغاز ضمن الأسطونة مناطق تتراص فيها جزيئات الهواء؛ بمعنى حتى ضغطها عالٍ، ومناطق تتخلخل فيها جزيئات الهواء؛ أي إذا الضغط فيها منخفض.
أهميته
أولاً يمكننا من الاتصال بعضنا ببعض عن طريق الكلام. كما حتى أصواتًا كثيرة، مثل الموسيقى وتغريد العصافير، تدخل البهجة إلى النفس. وأصوات البث الإذاعي والتلفازي تنقل إلينا آيات كتاب الله الكريم والمعلومات والترويح. وهناك أصوات تنذرنا بالأخطار مثل بوق السيارة وأجراس الحريق. كما نستخدم الصوت بطرق عديدة أخرى. ونستطيع حتى نعهد ما إذا كان الجسم مجوفًا إذا قرعناه. ويتمكن الطبيب من تشخيص السقم بعد استخدام السماعة الطبية ليتنصت لأصوات القلب والرئتين.
طبيعة الصوت
إذا أسقطت حجرًا صغيرًا في بركة ساكنة، ستشاهد سلسلة من الأمواج تنتقل مبتعدة عن النقطة التي لامس فيها الحجر سطح الماء. كذلك ينتقل الصوت في موجات، عندما يتحرك خلال الهواء أوأي وسط آخر. وتنتج الموجات من جسم مهتز. ففي حالة حركة الجسم المهتز إلى الخارج، يحدث ضغط على الوسط المحيط به، فتنتج منطقة ضغط. وعندما يتحرك الجسم بعد ذلك للداخل، يتمدد الوسط في الحيز الذي كان يشغله الجسم. وتسمى منطقة التمدد هذه تخلخلاً. وباستمرار تحرك الجسم إلى الداخل والخارج، تنتقل سلسلة من الضغوط والتخلخلات بعيدًا عنه. وتتكون الموجات الصوتية من هذه الضغوط والتخلخلات.
الانتنطق موجات الصوت يلزم وجود وسط، ولذلك فإن الصوت ينعدم في الفضاء الخارجي، لعدم احتوائه على وسط مادي يضغطه أويمدده الجسم المهتز.
التردد وطبقة الصوت
يسمى عدد الضغوط والتخلخلات التي ينتجها الجسم المهتز في جميع ثانية تردد موجات الصوت. وحدثا ازدادت سرعة اهتزاز الجسم ارتفعت قيمة تردده. ويستخدم الفهماء وحدة الهرتز لقياس التردد، ويساوي الهرتز الواحد اهتزازة واحدة جميع ثانية. انظر: الهرتز. وعندما يزداد تردد الموجات الصوتية يقل طولها الموجي. والطول الموجي هوالمسافة بين أية نقطة على موجة والنقطة التي تقابلها في الموجة التالية.
يسمع معظم الناس الأصوات التي يتراوح ترددها بين 20 و20,000 هرتز. ويستطيع الوطواط والكلب وأنواع أخرى كثيرة من الحيوانات سماع أصوات ذات ترددات أعلى بكثير من 20,000 هرتز. والأصوات المتنوعة لها أيضًا ترددات مختلفة. على سبيل المثال تردد صلصلة المفاتيح، يترواح بين 700 و15,000 هرتز. ويستطيع صوت الإنسان حتى يحدث ترددات تتراوح بين 85 و1,100هرتز. ولنبرات البيانوترددات تتراوح بين نحو30 و15,000 هرتز.
تردد الصوت يحدد طبقة الصوت، أي درجة علووانخفاض الصوت كما يتلقاه المستمع انظر: طبقة الصوت. وللأصوات عالية الطبقة ترددات أعلى من الأصوات منخفضة الطبقة. وتستطيع الآلات الموسيقية حتى تنتج مدى واسعًا من طبقات الصوت. ففي البوق على سبيل المثال، صمامات تستطيع حتى تقصِّر أوتطيل عمود الهواء المهتز داخل الآلة. وينتج العمود القصير صوتًا ذا تردد عال وطبقة صوتية عالية بينما يؤدي العمود الطويل إلى نبرة ذات تردد قصير وطبقة صوتية منخفضة.
سرعة الصوت
تعتمد سرعة الصوت على الوسط الذي ينتقل خلاله الصوت. وخصائص الوسط التي تحدد سرعة الصوت هي الكثافة وقابلية الانضغاط. والكثافة هي مقدار الكتلة الموجودة في وحدة الحجم من المادة. وتقيس قابلية الانضغاط مدى سهولة كبس المادة في حيز ضيق. وحدثا زادت الكثافة وزادت قابلية الانضغاط، قلت سرعة الصوت.
تكون السوائل والأجسام الصلبة بصفة عامة أكثر كثافة من الهواء، ولكنها أيضًا أقل من الهواء بكثير في قابلية الانضغاط، ولذلك، فإن الصوت ينتقل بسرعة أكبر خلال السوائل والأجسام الصلبة. ولذلك نجد مثلاً حتى سرعة الصوت في الماء نحوأربعة أمثال سرعته في الهواء، وسرعته في الفولاذ نحو15 مرة مقدار سرعته في الهواء. وتقاس سرعة الصوت في الهواء عادة عند مستوى سطح البحر، وعند 15°م من الحرارة. وعند هذه الدرجة، ينتقل الصوت بسرعة 340 م/ث. ولكن سرعة الصوت تزداد بزيادة درجة الحرارة. فسرعة الصوت في الهواء، على سبيل المثال، 386 م/ث عند درجة الحرارة 100°م.
سرعة الصوت أقل بكثير من سرعة الضوء. يتحرك الضوء في الفراغ بسرعة 299,792 كم/ث، أي بنحومليون مرة مقدار سرعة الصوت. ونتيجة لذلك، نرى وميض البرق أثناء العواصف، قبل حتى نسمع صوت الرعد. وإذا راقبت نجارًا يطرق بالمطرقة من مسافة بعيدة، فإنك سترى المطرقة تطرق الخشب قبل حتى تسمع صوتها.
ينتشر الصوت في الهواء بسرعة تم قياسها أول مرة عام 1738، عن طريق قياس الزمن الفاصل بين لحظة رؤية وميض طلقة مدفعية وسماع صوتها عند مسافة محددة. ولقد تم التحقق من حتى سرعة الصوت في الهواء V مستقلة عن الضغط الجوي، وتتناسب مع الجذر التربيعي لدرجة الحرارة المطلقة T وتعطى بالعلاقة:
حيث ترمز V0 إلى سرعة الصوت في الدرجة صفر مئوية في الهواء الساكن وقيمتها 330.7متراً في الثانية.
ينتشر الصوت في الأجسام السائلة بسرعة أكبر من سرعته في الهواء، وتعطى سرعته V بدلالة معامل الحجم Bulk modulus ورمزه B وكثافة السائل ρ بالعلاقة:
أما الأجسام الصلبة، فسرعة الصوت فيها أعلى من جميع من الغازات والسوائل، وتعطى بدلالة معامل يانگ Young’s modulus ورمزه Y وكثافة الجسم الصلب ρ بالعلاقة:
ويبين الجدول بعض القيم النموذجية لسرعة الصوت في أوساط مختلفة؛ غازية وسائلة وصلبة
السرعة (م/ثا)
الوسط
s343
s1482
s5010
الهواء ( s20ْC)
الماء العذب ( s20ْC )
النحاس
يدخل الصوت الأذن عن طريق الصيوان، فيهز غشاء الطبل في الأذن الخارجية. وتقوم عظيمات السمع؛ المطرقة والسندان والركاب، التي تتوضع في الأذن الوسطى، بنقل الاهتزاز إلى النافذة البيضوية التي تفصل الأذن الوسطى عن الأذن الداخلية أوالحلزون، حيث يتشعب العصب السمعي، فيتلقى اهتزازات السائل الذي يملأ الحلزون وينقلها إلى الدماغ. وهناك يتم تعهد الأصوات وتميز من صفاتها المتنوعة.
مستوى ضغط الصوت
قانون
س = جذر(ص \ ث)
س= سرعة الصوت, ص= عامل الصلابة للماده, ث= كثافة المادة
قياس الصوت
يستخدم الفهماء وحدة تسمى الديسيبل لقياس مستوى شدة الصوت. والنبرة ذات التردد 3,000 هرتز وذات مستوى الشدة صفر ديسيبل، هي فاصل عتبة السمع، أي أضعف صوت تستطيع الأذن البشرية الطبيعية حتى تسمعه. ومستوى شدة الصوت الذي قيمته 140 ديسيبلا هومؤشر عتبة الألم. ولا تحدث الأصوات ذات 140 ديسيبلا، أوأكثر، إحساسًا بالسمع في الأذن، وإنما تحدث إحساسًا بالألم. ويبلغ الهمس نحو20 ديسيبلا، والمحادثة العادية نحو60 ديسيبلا. أما موسيقى الرقص الصاخبة، فقد تعطي نحو120 ديسيبلا. انظر: الديسيبل.
وهنالك وحدة، تسمى الفون، كثيرًا ما تستخدم لقياس مستوى ازدياد النبرات. ويساوي مستوى الارتفاع بوحدة الفون لأي نبرة مستوى الشدة بالديسيبل لنبرة ذات تردد 1,000 هرتز تبدوفي مثل ارتفاعها. فارتفاع النبرة التي شدتها 20 ديسيبلا وترددها 1,000 هرتز، على سبيل المثال، هو20 فونًا. وأي نبرة أخرى تبدوبنفس الارتفاع، بغض النظر عن ترددها وشدتها، ستعطي مستوى الارتفاع 20 فونًا. فالنبرة التي شدتها 80 ديسيبلا وترددها 20 هرتزًا مثلاً سيكون مستوى ارتفاعها 20 فونًا إذا بدت في مثل ازدياد النبرة التي شدتها 20 ديسيبلا وترددها 1,000 هرتز.
التحكم في الصوت
يُعنى فهم الصوتيات بالصوت وتأثيراته على الناس. وفهم الصوتيات البيئي أحد فروع فهم الصوتيات الذي يهتم بالتحكم في التلوث الضجيجي.
ونتعرض باستمرار لسماع الضجيج من عديد من المصادر، مثل الطائرات ومواقع البناء والصناعات والسيارات والأجهزة المنزلية. والأفراد الذين يتعرضون للضجيج المرتفع لفترات طويلة قد يعانون من فقدان السمع المؤقت أوالدائم. كما حتى الأصوات المرتفعة قصيرة المدى، مثل صوت طلقة البندقية أوفرقعة الألعاب النارية، يمكن حتى تضر بالأذن. والضجيج المتواصل، حتى ولولم يكن صاخبًا، يمكن حتى يسبب الإرهاق والصداع وفقدان السمع والتوتر والغثيان.
ويمكن التحكم في تلوث الضجيج بعدة طرق. فقد طور مهندسوالصوتيات طرقًا لتقليل الضجيج الصادر عن كثير من الأجهزة. فكاتمات الصوت، على سبيل المثال، تجعل محركات السيارات أهدأ. وفي المباني يمكن استعمال الجدران السميكة الثقيلة، والأبواب والنوافذ محكمة الإغلاق، وطرق مختلفة أخرى، لمنع تسرب الضجيج إلى الداخل. انظر: العزل. أما عمال المصانع والأفراد الآخرون الذين يتعرضون لضجيج مكثف، فيجب حتى يضعوا على آذانهم نوعًا من أجهزة حماية الأذن لمنع فقدان السمع.
ويُعنى فهم الصوتيات كذلك بتهيئة ظروف جيدة لإنتاج الحديث والموسيقى وسماعهما في قاعات الاجتماعات وصالات الموسيقى وماشابهها. عملى سبيل المثال، يسعى مهندسوالصوتيات للتحكم في ارتداد الصدى، وهوانعكاسات الصوت، إلى الخلف وإلى الأمام، من السقف والجدران والأرضية والسطوح الأخرى في القاعة أوالصالة. وبعض ارتداد الصدى ضروري لإنتاج أصوات سارة، ولكن كثرة ارتداد الصدى الزائد يمكن حتى يشوش الحديث أوالموسيقى. ويستخدم المهندسون الأمور الماصّة للصوت، مثل البلاط الخاص بالصوتيات والسجاد والستائر والأثاث الداخلي المبطن، من أجل التحكم في ارتداد الصدى. انظر: الصوتيات، فهم.
استخدام الصوت
للصوت استخدامات كثيرة في الفهم وفي الصناعة. فكثيرًا ما يستخدم الجيوفيزيائيون الصوت في التنقيب عن المعادن والنفط. ومن ذلك أنَّهم يجرون تفجيرًا صغيرًا على سطح الأرض، أوتحت سطحها بقليل، فترتدّ موجات الصوت الناتجة من طبقات الصخور تحت الأرض. وتدلُّ طبيعة الصدى والفترة الزمنية التي تستغرقها الموجات لبلوغ السطح على نوع وسمك الطبقة الصخرية الموجودة. وبهذه الكيفية يستطيع الجيوفيزيائيون تحديد مسقط التشكيلات الصخرية التي يحتمل حتى تكون غنية بالمعادن أوالنفط. وهنالك جهاز، اسمه السونار يستخدم موجات الصوت للكشف عن الأجسام الموجودة تحت الماء. وتستطيع السفن الحربية تحديد مسقط غواصات العدوباستخدام السونار، كما تستخدمه قوارب صيد الأسماك للكشف عن تجمعات الأسماك.
يسمى الصوت الذيقد يكون تردده أعلى من مدى السمع البشري الموجات فوق الصوتية، ويستخدم لتنظيف الساعات والأجهزة الدقيقة الأخرى، ولاختبار المعادن واللدائن ومواد أخرى في المصانع، ولتشخيص أورام الدماغ وأمراض الكبد والكشف عن الحصوات في الحويصلة الصفراوية والكلى وأمراض أخرى. كما حتى الموجات فوق الصوتية تهيئ وسيلة مأمونة نسبيًا للوقوف على نموالجنين في بطن أمه. انظر: الموجات فوق الصوتية.
وقد طوّر الفهماء والمهندسون عدة أجهزة لتسجيل وإعادة إنتاج الصوت. وتضم هذه الأجهزة الميكروفون والسماعة (مكبر الصوت) والمضخِّم. ويحول الميكروفون موجات الصوت إلى إشارات كهربائية تقابل نمط هذه الموجات. وتحول السماعة الإشارات الكهربائية، مثل تلك التي ينتجها الميكروفون، مرة أخرى إلى صوت. أما المضخِّم، فيستخدم في معظم نظم إعادة إنتاج الصوت لتقوية الإشارات الكهربائية وتمكينها من تشغيل السماعة. جميع نظم الخطاب العام والمذياع والفونوغراف والمسجل الصوتي والتلفاز بها على الأقل مضخم واحد. انظر: الميكروفون؛ مكبر الصوت؛ الإلكترونيات.
وعند تسجيل الموسيقى، يقوم المهندسون أحيانًا بإعداد تسجيلين أوأكثر من ميكروفونات موضوعة في عدة أماكن حول المصدر. فإذا شُغِّلت هذه الإنضمامات معًا بطريقة سليمة، لإعادة إنتاج الصوت، فإنها تعطي صوتًا مجسَّمًا. وللصوت المجسم خصائص العمق والاتجاه التي للأصل. ولإعادة إصدار الصوت المجسم، عند الاستماع، يلزم حتىقد يكون للجهاز مضخم وسمّاعة لكل تسجيل على حدة.
أمثلة لضغط الصوت ومستوياته
See also the Sound pressure article.
| مصدر الصوت | RMS ضغط الصوت | مستوى ضغط الصوت |
|---|---|---|
| Pa | dB re 20 µPa | |
| immediate soft tissue damage | 50000 | approx. 185 |
| rocket launch equipment acoustic tests | approx. 165 | |
| threshold of pain | 100 | 134 |
| hearing damage during short-term effect | 20 | approx. 120 |
| jet engine, 100 m distant | 6–200 | 110–140 |
| jack hammer, 1 m distant / discotheque | 2 | approx. 100 |
| hearing damage from long-term exposure | 0.6 | approx. 85 |
| traffic noise on major road,عشرة m distant | 0.2–0.6 | 80–90 |
| moving passenger car,عشرة m distant | 0.02–0.2 | 60–80 |
| TV set – typical home level, 1 m distant | 0.02 | approx. 60 |
| normal talking, 1 m distant | 0.002–0.02 | 40–60 |
| very calm room | 0.0002–0.0006 | 20–30 |
| quiet rustling leaves, calm human breathing | 0.00006 | 10 |
| auditory threshold at 2 kHz – أذن بشرية سليمة | 0.00002 | 0 |
أنواع الأصوات
تصنف الأصوات بحسب نوع الاهتزاز المولد لها. فإذا كان الاهتزاز دورياً أمكن تعريف ثلاث صفات مميزة هي: ازدياد الصوت pitch وجهارة الصوت أوشدته loudness وطابع الصوت timber.
يميز ازدياد الصوت حِدّته؛ فحدثا زاد تواتر الاهتزاز زادت حدة الصوت، ويغدوالصوت أقرب إلى صوت المرأة. وحدثا انخفض تواتر الصوت أضحى الصوت رخيماً وأقرب إلى صوت الرجل.
أما جهارة الصوت أوشدته فترتبط بسعة الاهتزاز أوبتغير الضغط. وتقاس جهارة الصوت بالواط على المتر المربع (W/m2) . ثمة عتبة دنيا للصوت تمثل أخفت صوت يمكن للإنسان حتى يسمعه وتقدر شدته أوجهارته بـ I0 =10-12 W/m2 ، وثمة عتبة عليا للصوت تساوي شدته المسببة للألم 1W/m2 . وتقارن شدات الأصوات بالديسيبل dB وفقاً للعلاقة:
واضح في ضوء هذه العلاقة أنه إذا كانت I = I0 فإن dB = 0 . وأنه من أجل I =1W/m2 فإن dB = 120 . ويوضح الشكل 2 كيفية تغير نسب شدات الأصوات أوجهارتها بتغير تواترها. ويظهر منه حتى الأذن أشد ما تكون حساسية للأصوات ذات التواتر 100Hz .
أما طابع الصوت فيرتبط بالتوافقيات harmonics التي يولدها المنبع المهتز إضافة إلى التواتر الأساسي. وبفضل هذه التوافقيات والتفاوت في شداتها، يمكن للأذن حتى تميز صوت آلة موسيقية معينة عن آلة أخرى، حتى عندماقد يكون التواتر الأساسي للصوت الصادر عنهما واحداً كما يبين ذلك الشكل (3).
ثمة أصوات شبه دورية يمكن للأذن حتى تميز ارتفاعها إذا لم تكن مخمدة تخميداً شديداً. أما الضجيج noise فيميز باهتزازات معقدة تنعدم فيها الصفة الدورية تماماً أوتكاد، ولا يمكن في هذه الحالة حتى يُعزى للضجيج ازدياد محدد.
يعد التحكم بالضجيج الصوتي أمراً مهماً حيثما يكثر الناس، كما هوالحال في المعامل والشوارع والممحرر. إذا التخفيف من إزعاج الضجيج يحتاج بالدرجة الأولى معالجة مصدره عن طريق عزل الأجزاء المتحركة من الآلات التي تصدره باستعمال مخمدات مطاطية. أما في وسائل النقل فيعالج الضجيج باستعمال كواتم الصوت[ر]، وبمنع استخدام الأبواق إلا للضرورة القصوى.
إن التهاون في معالجة الضجيج والأصوات الأخرى، حتى الموسيقية منها، قد تقود إلى الصمم ـ إذا كانت شدتها عالية ـ وإلى فقدان الأذن التدريجي للإحساس بالأصوات على اختلاف أنواعها.
المصادر
الموسوعة المعهدية الكاملة
- ^ أحمد حصري. "الصوت والصوتيات". الموسوعة العربية.
قياس الصوت
- Decibel, sone, mel, phon, hertz
- Sound pressure level
- Particle velocity, acoustic velocity
- Particle displacement, particle amplitude, particle acceleration
- Sound power, acoustic power, sound power level
- Sound energy flux
- Sound intensity, acoustic intensity, sound intensity level
- Acoustic impedance, sound impedance, characteristic impedance
- Speed of sound, amplitude
- انظر أيضاً نطقب:Sound measurements
انظر أيضاً
- Acoustics |أنظمة الصوت المحيطي| Auditory imagery | Audio signal processing | Beats | Cycles | Diffraction | Doppler effect | Echo | FindSounds | Music | Note | Phonons | Physics of music | Pitch | Radiation of sound | Resonance | Rijke tube | Reflection | Reverberation | Sonic weaponry | Sound localization | Soundproofing | Rotary Woofer | Steam whistle | Timbre | Voyager Golden Record | Audio bit depth | Sound branding | Sounds and Mind
وصلات خارجية
- HyperPhysics: Sound and Hearing
- Introduction to the Physics of Sound
- Hearing curves and on-line hearing test
- Audio for the 21st Century
- Conversion of sound units and levels
- Sounds Amazing a learning resource for sound and waves
- Sound calculations
- Audio Check: a free collection of audio tests and test tones playable on-line
