صوت

Artificial omni-directional sound source in anechoic acoustic chamber

الصوت هو تردد آلي، أو موجة قادرة على التحرك في عدة أوساط مادية مثل الأجسام الصلبة، السوائل، و الغازات،ولاتنتشر في الفراغ, وباستطاعة الكائن الحي تحسسه عن طريق عضو خا ص يسمى الأذن.

من منظور علم الأحياء فالصوت هو إشارة تحتوي على نغمة أو عدة نغمات تصدر من الكائن الحي الذي يملك العضو الباعث للصوت، تستعمل كوسيلة اتصال بينه وبين كائن آخر من جنسه أو من جنس آخر، يعبر من خلالها عما يريد قوله أو فعله بوعي أو بغير وعي مسبق، ويسمى الأحساس الذي تسببه تلك الذبذبات بحاسة السمع وتقدر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي ب 340 متر في الثانية او 1026 كم في الساعة. تتعلق سرعة الصوت بعامل الصلابة وكثافة المادة التي يتحرك فيها الصوت.

- الصوت هو اهتزاز ميكانيكي للوسط ، الصوت ليس موجة بل الموجة هي إحدى الاشكال (نماذج الانتشار) التي يبرز و يتميزبها الصوت و كمثال على نماذج اخرى: التيارات الصوتية و التدفق الصوتي.

- هنالك عوامل اخرى تؤثر على انتشار الصوت وسرعته كطبيعة المادة (اللزوجة، تأثرها بالمجال المغناطيسي)

The fundamental and the first 6 overtones of a vibrating string. The earliest records of the study of this phenomenon are attributed to Ancient Chinese 3000 BCE.

ويولد الصوت إحساساًَ مسموعاً في كل 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 أن ينتشر في الأوساط المادية المختلفة؛ الغازية والسائلة، والصلبة.

انتشار الصوت في الهواء

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 أن ضغطها عالٍ، ومناطق تتخلخل فيها جزيئات الهواء؛ أي إن الضغط فيها منخفض.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

أهميته

أولاً يمكننا من الاتصال بعضنا ببعض عن طريق الكلام. كما أن 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 أن نعرف ما إذا كان الجسم مجوفًا إذا قرعناه. ويتمكن الطبيب من تشخيص المرض بعد استخدام السماعة الطبية ليتنصت لأصوات القلب والرئتين.

The fundamental acoustical process


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 أو أي 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.

الانتقال موجات الصوت يلزم وجود وسط، ولذلك فإن الصوت ينعدم في الفضاء الخارجي، لعدم احتوائه على وسط مادي يضغطه أو يمدده الجسم المهتز.

An inexpensive low fidelity 3.5 inch driver, typically found in small radios


التردد وطبقة الصوت

يسمى عدد الضغوط والتخلخلات التي ينتجها الجسم المهتز في كل ثانية تردد موجات الصوت. وكلما ازدادت سرعة اهتزاز الجسم ارتفعت قيمة تردده. ويستخدم العلماء وحدة الهرتز لقياس التردد، ويساوي الهرتز الواحد اهتزازة واحدة كل ثانية. انظر: الهرتز. وعندما يزداد تردد الموجات الصوتية يقل طولها الموجي. والطول الموجي هو المسافة 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 المختلفة لها أيضًا ترددات مختلفة. على سبيل المثال تردد صلصلة المفاتيح، يترواح بين 700 و15,000 هرتز. ويستطيع صوت الإنسان أن يحدث ترددات تتراوح بين 85 و1,100هرتز. ولنبرات البيانو ترددات تتراوح بين نحو 30 و15,000 هرتز.

تردد الصوت يحدد طبقة الصوت، أي درجة علو وانخفاض الصوت كما يتلقاه المستمع انظر: طبقة الصوت. وللأصوات عالية الطبقة ترددات أعلى من الأصوات منخفضة الطبقة. وتستطيع الآلات الموسيقية أن تنتج مدى واسعًا من طبقات الصوت. ففي البوق على سبيل المثال، صمامات تستطيع أن تقصِّر أو تطيل 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. وكلما 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 أن سرعة الصوت في الماء نحو أربعة أمثال سرعته في الهواء، وسرعته في الفولاذ نحو 15 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 بنحو مليون مرة مقدار سرعة الصوت. ونتيجة لذلك، نرى وميض البرق أثناء العواصف، قبل أن نسمع صوت الرعد. وإذا راقبت نجارًا يطرق بالمطرقة من مسافة بعيدة، فإنك سترى المطرقة تطرق الخشب قبل أن 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 أن 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:

5220-10.jpg


أما الأجسام الصلبة، فسرعة الصوت فيها أعلى من كل من الغازات والسوائل، وتعطى بدلالة معامل يانگ Young’s modulus ورمزه Y وكثافة الجسم الصلب ρ بالعلاقة:

5220-11.jpg

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 أو الحلزون، حيث يتشعب العصب السمعي، فيتلقى اهتزازات السائل الذي يملأ الحلزون وينقلها إلى الدماغ. وهناك يتم تعرف الأصوات وتميز من صفاتها المختلفة.


مستوى ضغط الصوت

المقالة الرئيسية: ضغط الصوت


قانون

س = جذر(ص \ ث)

س= سرعة الصوت, ص= عامل الصلابة للماده, ث= كثافة المادة

قياس الصوت

يستخدم العلماء 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 أن تسمعه. ومستوى شدة الصوت الذي قيمته 140 ديسيبلا هو مؤشر عتبة الألم. ولا تحدث الأصوات ذات 140 ديسيبلا، أو أكثر، إحساسًا بالسمع في الأذن، وإنما تحدث إحساسًا بالألم. ويبلغ الهمس نحو 20 ديسيبلا، والمحادثة العادية نحو 60 ديسيبلا. أما موسيقى الرقص الصاخبة، فقد تعطي نحو 120 ديسيبلا. انظر: الديسيبل.

وهنالك وحدة، تسمى الفون، كثيرًا ما تستخدم لقياس مستوى ارتفاع النبرات. ويساوي مستوى الارتفاع بوحدة الفون لأي نبرة مستوى الشدة بالديسيبل لنبرة ذات تردد 1,000 هرتز تبدو في مثل ارتفاعها. فارتفاع النبرة التي شدتها 20 ديسيبلا وترددها 1,000 هرتز، على سبيل المثال، هو 20 فونًا. وأي نبرة أخرى تبدو بنفس 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 ارتفاع النبرة التي شدتها 20 ديسيبلا وترددها 1,000 هرتز.

التحكم في الصوت

يُعنى علم الصوتيات بالصوت وتأثيراته على الناس. وعلم الصوتيات البيئي أحد فروع علم 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 أو الدائم. كما أن الأصوات المرتفعة قصيرة المدى، مثل صوت طلقة البندقية أو فرقعة الألعاب النارية، يمكن أن تضر بالأذن. والضجيج المتواصل، حتى ولو لم يكن صاخبًا، يمكن أن يسبب الإرهاق والصداع وفقدان السمع والتوتر والغثيان.

ويمكن التحكم في تلوث الضجيج بعدة طرق. فقد طور مهندسو الصوتيات طرقًا لتقليل الضجيج الصادر عن كثير من الأجهزة. فكاتمات الصوت، على سبيل المثال، تجعل محركات السيارات أهدأ. وفي المباني يمكن استخدام 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 أن يضعوا على آذانهم نوعًا من أجهزة حماية الأذن لمنع فقدان السمع.

ويُعنى علم الصوتيات كذلك بتهيئة ظروف جيدة لإنتاج الحديث والموسيقى وسماعهما في قاعات الاجتماعات وصالات الموسيقى وماشابهها. فعلى سبيل المثال، يسعى مهندسو الصوتيات للتحكم في ارتداد الصدى، وهو انعكاسات الصوت، إلى الخلف وإلى الأمام، من السقف والجدران والأرضية والسطوح الأخرى في القاعة أو الصالة. وبعض ارتداد الصدى ضروري لإنتاج أصوات سارة، ولكن كثرة ارتداد الصدى الزائد يمكن أن يشوش الحديث أو الموسيقى. ويستخدم المهندسون الأشياء الماصّة للصوت، مثل البلاط الخاص بالصوتيات والسجاد والستائر والأثاث الداخلي المبطن، من أجل التحكم في ارتداد الصدى. انظر: الصوتيات، علم.

استخدام الصوت

للصوت استخدامات كثيرة في العلم وفي الصناعة. فكثيرًا ما يستخدم الجيوفيزيائيون الصوت في التنقيب عن المعادن والنفط. ومن ذلك أنَّهم يجرون تفجيرًا صغيرًا على سطح الأرض، أو تحت 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 موقع التشكيلات الصخرية التي يحتمل أن تكون غنية بالمعادن أو النفط. وهنالك جهاز، اسمه السونار يستخدم موجات الصوت للكشف عن الأجسام الموجودة تحت الماء. وتستطيع السفن الحربية تحديد موقع غواصات العدو باستخدام السونار، كما تستخدمه قوارب صيد الأسماك للكشف عن تجمعات الأسماك.

يسمى الصوت الذي 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 أن الموجات فوق الصوتية تهيئ وسيلة مأمونة نسبيًا للوقوف على نمو الجنين في بطن أمه. انظر: الموجات فوق الصوتية.

وقد طوّر العلماء والمهندسون عدة أجهزة لتسجيل وإعادة إنتاج الصوت. وتشمل 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. كل 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 أو أكثر من ميكروفونات موضوعة في عدة أماكن حول المصدر. فإذا شُغِّلت هذه التسجيلات معًا بطريقة صحيحة، لإعادة إنتاج الصوت، فإنها تعطي صوتًا مجسَّمًا. وللصوت المجسم خصائص العمق والاتجاه التي للأصل. ولإعادة إصدار الصوت المجسم، عند الاستماع، يلزم أن 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, 10 m distant 0.2–0.6 80–90
moving passenger car, 10 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: ارتفاع الصوت pitch وجهارة الصوت أو شدته loudness وطابع الصوت timber.

تغير جهارة الأصوات بتغير ترددها

يميز ارتفاع الصوت حِدّته؛ فكلما زاد تواتر الاهتزاز زادت حدة الصوت، ويغدو الصوت أقرب إلى صوت المرأة. وكلما انخفض تواتر الصوت أضحى الصوت رخيماً وأقرب إلى صوت الرجل.

أما جهارة الصوت أو شدته فترتبط بسعة الاهتزاز أو بتغير الضغط. وتقاس جهارة الصوت بالواط على المتر المربع (W/m2) . ثمة عتبة دنيا للصوت تمثل أخفت صوت يمكن للإنسان أن يسمعه وتقدر شدته أو جهارته بـ I0 =10-12 W/m2 ، وثمة عتبة عليا للصوت تساوي شدته المسببة للألم 1W/m2 . وتقارن شدات الأصوات بالديسيبل dB وفقاً للعلاقة:

الصوت الصادر عن الشبابة أو الكلارينت Clarinet في الأعلى، والصوت الصادر عن المزمار Oboe في الأسفل لهما التردد الأساسي ذاته، إلا أن طابعهما مختلف بفضل التوافقيات

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 أو جهارتها بتغير تواترها. ويظهر منه أن 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 أن تميز صوت آلة موسيقية معينة عن آلة أخرى، حتى عندما يكون التواتر الأساسي للصوت الصادر عنهما واحداً كما يبين ذلك الشكل (3).

ثمة أصوات شبه دورية يمكن للأذن أن تميز ارتفاعها إذا لم تكن مخمدة تخميداً شديداً. أما الضجيج noise فيميز باهتزازات معقدة تنعدم فيها الصفة الدورية تماماً أو تكاد، ولا يمكن في هذه الحالة أن يُعزى للضجيج ارتفاع محدد.

يعد التحكم بالضجيج الصوتي أمراً مهماً حيثما يكثر الناس، كما هو الحال في المعامل والشوارع والمكاتب. إن التخفيف من إزعاج الضجيج يتطلب 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.[1]

المصادر

الموسوعة المعرفية الشاملة

  1. ^ أحمد حصري. "الصوت والصوتيات". الموسوعة العربية. 

قياس الصوت

انظر أيضاً

Wikibooks
Wikibooks' [[wikibooks:|]] has more about this subject:

وصلات خارجية

Wikiquote-logo.svg اقرأ اقتباسات ذات علاقة بصوت، في معرفة الاقتباس.