الفيزياء والفلك > فيزياء
سلسلة الأمواج الصوتيّة. 1-مقدمة في الصوت.
يُعتبر الصوت من أهم الإشارات التي يقوم الدماغ البشري بتجميعها عن طريق الأذن ليكوّن فكرة عن العالم المحيط به. فما هو الصوت وما هي طبيعته وكيف ينتشر في المكان؟
الصوت هو عبارة عن موجة ميكانيكيّة، أي أنه إضطراب ينتقل خلال وسط ما (غاز، سائل، صلب)، ناقلًا معه الطاقة من نقطةٍ إلى أخرى، وهذا الاضطراب يكون في الموجات الصوتيّة على شكلِ تفاوتاتٍ في ضغط الوسط الناقل من نقطة إلى أخرى.
وكما ذكرنا، الصوت يحتاج إلى وسطٍ للأنتقال خلاله، أي أنه لن ينتقل عبر الفراغ، لذا نلاحظ أن روّاد الفضاء أثناء تواجدهم خارج مركباتهم يستعملون الموجات الراديوية للكلام مع بعضهم البعض، حيث أن كثافة الغازات تكون أقل بكثير من أن تسمح بنقل الموجات الصوتيّة المسموعة.
عندما يهتز جسم ما (المصدر) في الهواء فإنه ينقل اهتزازه إلى جزيئات الهواء الملامسة له، تنقل هذه الجزيئات بدورها اهتزازاتها إلى الجزيئات المحيطة بها، وتتكرر العملية فتسبب وجود مناطق تتقارب فيها الجزيئات من بعضها فينتج ضغط هوائي مرتفع، ومناطق أخرى تتباعد الجزيئات فيما بينها فينتج ضغط هوائي منخفض. وتنتقل موجة الانضغاطات هذه من مكان إلى آخر فتسبب اهتزاز طبلة الأذن عند وصولها إليها، حيث يُحللها الدماغ على شكل صوت.
الأمواج الصوتيّة تنتقل بالهواء بشكلٍ مشابهٍ لانتقال الأمواج المائية. فجزيئات الهواء لا تنتقل في الواقع من مكبرِ الصوت إلى الأُذن -فهي ليست رياح- وإنما كل جزيئة تنتقل فقط لمسافةٍ صغيرة على شكل إهتزازٍ حيث يُسبّب ذلك باهتزاز الجزيئة المجاورة ويمتد هذا التأثير الموجي على طول الطريق الوصل إلى الأذن.
لكن حتى يَسهُل استيعاب الموجات الصوتية والتعامل معها بطريقة رياضية يتم التعبير عنها عادةً عن طريق منحنيات موجيّة. حيث تُمثّل النقاط المرتفعة من الموجة الضغط المرتفع في الوسط. والنقاط المنخفضة الضغط المنخفض.
تعتمد خصائص الصوت الأساسية على خصائص هذه المنحنيات. وهنا بجب أن نتذكر أن هذه المنحنيات غير مطابقة للواقع فهي منحنيات ثنائية الأبعاد. في حين أن الصوت هو عبارة عن موجة ضغط تنتقل في وسط ثلاثي الأبعاد. ولكن هذه المنحنيات تساعد على دراسة الصوت وتحليله والتعبير عنه بطريقة جيدة.
تتحدد خصائص الصوت من خصائص الموجة الصّوتية وهي:
- طول الموجة Wavelength: وهي المسافة بين أي نقطة من الموجة والنقطة المناظرة لها في الطور الذي يليها.
- سعة الموجة Amplitude : هي شدة أو قوة إشارة الموجة الصوتية، ونستدل عليها في المنحنى الموجي من خلال إرتفاع الموجة. وكلما زاد ارتفاع الموجة كان الصوت عالي أكثر. (عندما ترفع صوت التلفاز مثلاً فإنك تزيد من سعة موجة الصوت الصادرة منه)
- التردد أو التواتر Frequency : وهو عدد الموجات التي تتجاوز نقطة معينة خلال فترة زمنية محددة (ثانية)، واحدتها القياسية هي الهرتز (موجة في الثانية). يتعلق التردد بسرعة إهتزاز مصدر الصوت فعند زيادة سرعة اهتزاز المصدر يزداد تردد الصوت الصادر عنه. وكلما زاد تردد الصوت يصبح الصوت حادّاً أكثر (الصوت الأنثوي مثلًا)، وكلما نقص التردد كان الصوت ثخينًا (كصوت الزئير مثلًا).
-تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة صوتية:
في الأجهزة الكهربائية الصوتية يتم تحويل الاشارة الكهربائية إلى صوت عن طريق مكبرات الصوت. يكون شكل الإشارة الكهربائية مطابق لشكل الموجة الصوتية. حيث يقابلُ الفولت العالي للإشارة الكهربائية القيمةَ العالية من الضغط في الموجة الصوتية. والعكس بالعكس الفولت المنخفض للضغط المنخفض. فعند تعاقب الفولتات المنخفضة والعالية من الإشارة الكهربائية تتعاقب في المقابل الضغوط العالية والمنخفضة في الهواء فينتج الصوت.
-سرعة الصوت:
هي سرعة انتقال الإشارة الصوتية من نقطة إلى أخرى في الوسط الناقل. سرعة الصوت ليست ثابتة بل هي متغيّرة حسب خصائص الوسط الذي يمر الصوت فيه. من حيث المبدأ كلما كانت المسافة بين جزيئات الوسط الناقل أصغر كلما سهل نقل الاهتزاز من جزيئة إلى أخرى، بالتالي وقت أقل لنقل الإشارة الصوتية من جزيئة لأخرى وسرعة صوت أكبر.
على هذا الأساس تكون سرعة الصوت في الأجسام الصلبة أكبر منها في الأجسام السائلة. وكذلك في الأجسام السائلة أكبر من الأجسام الغازية. على سبيل المثال سرعة انتقال الصوت في الماء تكون أكبر من سرعته في الهواء.
تتعلق سرعة الصوت بالعديد من الخصائص الأخرى مثل درجة حرارة الوسط الناقل وكثاقته ومرونته وغيرها. فيما يلي جدول لسرعات الصوت في عدة أوساط ناقلة للصوت .
في هذا المقال تحدثنا عن الموجات الصوتية البسيطة من أجل تبسيط فهمنا للصوت، لكن في الحياة الواقعية يكون للأمواج الصوتية أشكالاً أكثر تعقيداً ناتجة عن التداخل فيما بينها. وهذا ما سنتحدث عنه في المقال القادم
المصادر: