الصوت
بشكلٍ عام السؤال عن وحدة قياس الصوت ليس دقيقاً تماماً، حيث إنه للصوت العديد من الخصائص التي من المهم استخدام الوحدات المختلفة لتعريفها مثل طول الموجة الصوتية، أو تردّدها، أو شدّتها. لكن لربما أول ما يتردد إلى الذهن عند الحديث عن (وحدة قياس الصوت) هو شدة الصوت ، لكن في هذا المقال سنتحدث عن العديد من الوحدات المُهمّة المتعلّقة في تحديد خصائص الصوت ، بالإضافة إلى أننا سوف نقوم بتعريف الصوت نفسه قبل البدء بالحديث عن وحدات الكميات المتعلقة به.
في الفيزياء الصوت هو عبارة عن موجات ميكانيكية طولية؛ والأمواج الميكانيكية هي الأمواج التي تنتقل خلال الأوساط المادية ، ولا يمكنها الانتشار دون وجودِ وسطٍ مادي، بينما نقول عن الموجة إنها طولية إذا كان اتجاه انتشار هذه الموجة هو اتجاه اهتزازها ذاته، أي موازياً لاتجاه الاهتزاز (يوجد نوع آخر من الأمواج وهو الأمواج المستعرضة، وهذه الأمواج تنتشر بشكلٍ عامودي على اتجاه الاهتزاز مثل أمواج الماء). كما يُعرف الصوت على أنه اهتزاز ينشأ ويُحمل على الأوساط المادية (مثل الهواء) لينتقل خلالها، وإذا وصل الصوت لمستقبل مثل أذن الإنسان فإنه يمكن إدراكه بواسطة حاسة السمع.
خصائص الصوت
بما أن الصوت هو عبارة عن موجة ميكانيكية طولية، فهذا يعني بأنه سوف يكون للصوت خصائص المواجات الطولية والموجات الميكانيكية نفسها. لكن قبل البدء بالحديث عن هذه الخصائص فإنه من اللازم توضيح شكل هذه الموجة. الموجة الصوتية بشكلٍ عام تحمل على الوسط المادي لأنها تسبب تغيراً في الضغط في هذه المادة، فمرةً يزداد الضغط ، وأخرى يقل؛ وتسمى المنطقة التي يزداد ضغطها (بالتضاغط) بينما تسمى المنطقة التي يقل ضغطها (بالتخلخل)، والموجة الصوتية عبارة عن مجموعة من التضاغطات يفصل بينها تخلخلات يكون اتجاه انتشارها موازياً لاتجاه تغير الضغط.
مثل أي موجة أخرى فإن لموجة الصوت طولاً موجيّاً، حيث إن الطول الموجي يُعرف على أنه المسافة بين أي نقطتين متماثلتين متتاليتين (مثل قمة الموجة)، فنقول إن المسافة بين قمتين متتاليتين هي الطول الموجي للموجة، والأمر سيان لأي نقطتين أخريين متماثلتين. كما أن أحد أهم خصائص الموجة هو التردد، حيث إن التردد هو مقلوب الزمن الدوري للموجة، والزمن الدوري هو الزمن اللازم للموجة كاملةً حتى تعبر نقطةً ما، بينما التردد هو عدد الموجات التي تعبر خلال نقطةٍ ما في زمنٍ ما. يوجد أيضاً سعة الموجة، حيث إن سعة الموجة هي مقدار التأرجح في الضغط الذي سببته الموجة (مقدار التضاغط والتخلخل الذي خلقته الموجة في الوسط الحامل لها). يوجد أيضاً شدة الموجة الصوتية (أي مقدار الإزعاج الذي سوف تسببه هذه الموجة)، وهي من الأشياء التي يجب معرفتها عند الحديث عن موجةٍ صوتيةٍ ما، وشدة الصوت مرتبطة بسعة الموجة الصوتية؛ إذ إنها تتناسب مع مربع سعة الموجة. أيضاً من السمات المهمة لأي موجة هي سرعة الموجة، وبشكلٍ عام يمكن حساب سرعة الموجة عن طريق ضرب ترددها بطولها الموجي، والأمواج الصوتية ليست استثناءً، لكن يوجد طريقة إضافية لحساب سرعة الموجة الصوتية وهي بالاعتماد على الخصائص القصورية (مثل الكثافة) والخصائص المتعلّقة بالمرونة (مثل معامل الحجم (بالإنجليزية: Bulk Modulus)) للوسط الذي تُحمل الموجة الصوتية عليه، وتسهم خصائص المرونة بالتأثير الأكبر في سرعة الصوت؛ حيث إنه كلما زاد تفاعل جزيئات وذرات المادة مع بعضها البعض زادت سرعة الصوت في هذا الوسط المادي، وبسبب هذا تكون سرعة الصوت أكبر ما يمكن في الأوساط الصلبة (عصلبة)، بينما تكون أقل ما يمكن في الأوساط الغازية (عغازية)، وفي الأوساط السائلة تكون سرعة الصوت (عسائلة) بين سرعتها في الأوساط الصلبة والغازية.
وحدات القياس
بعد أن تم توضيح معنى وتعريف بعض من خصائص الموجات فإنه لابد من تحديد وحدة القياس المستخدمة في قياس كل خاصية ولماذا يتم استخدام تلك الوحدة. قبل البدء تجدر الإشارة إلى أنه يوجد نوعان من وحدات القياس؛ وحدات قياس مطلقة (مثل المتر، والكيلوغرام، والثانية، و...)، ووحدات القياس المطلقة هي وحدات القياس التي تعبر عن الشيء نفسه في جميع الأوساط، والأزمنة، والأمكنة. النوع الآخر من وحدات القياس هو وحدات القياس النسبية (مثل الديسيبل)، ووحدات القياس النسبية لا تعبّر عن الشيء نفسه في جميع الأوساط، فعلى سبيل المثال، إن الديسيبل في الهواء يختلف عن الديسيبل في الماء. وفيما يأتي ذكر لأهم الكميات المتعلقة بالصوت والوحدات الخاصة بها:
- الطول الموجي هو مسافة، لذلك يتم قياسه باستخدام وحدات قياس الطول مثل المتر لو كنا نستخدم النظام العالمي للوحدات.
- الزمن الدوري يقاس بوحدات قياس الزمن مثل الثانية.
- التردد هو مقلوب الزمن الدوري لذلك سوف يكون مُقاساً بمقلوب وحدات الزمن، أي 1/ثانية، وتُعرف هذه الوحدة بالهيرتز.
- سعة الموجة الصوتية تقاس بوحدات قياس الضغط مثل وحدة نيوتن/متر، والتي تكافئ 1 باسكال. نحن نستخدم وحدات قياس الضغط عند قياس السعة لأن سعة الموجة الصوتية هي ضغط (ملاحظة: الضغط الجوي في الظروف المعيارية هو 10 باسكال، ويمكن لأذن الإنسان الإحساس بموجة صوتية تمتلك على الأقل سعة مقدارها 10 باسكال، بينما السعة التي سوف تسبّب الألم للأذن وتؤذيها هي 10 باسكال).
- شدة الصوت تقاس بوحدة الديسيبل (بالإنجليزية: Decibel) وعادةً ما يتم اختصارها بالحرفين dB. الديسيبل هو وحدة نسبية ومعنى ذلك هو أن هذه الوحدة تقوم بالمقارنة بين ضغطين مختلفين، واحدٌ منهما يكون ضغطاً مرجعياً، لذلك، بسبب اختلاف الضغط المرجعي بين الماء والهواء فإن الديسيبل سوف يكون له قيم مختلفة في كل من الماء والهواء، حيث إن الضغط المرجعي في الماء يساوي 1 ميكرو باسكال، بينما الضغط المرجعي في الهواء هو 20 ميكرو باسكال.
- سرعة الموجة تُقاس بوحدات قياس السرعة، وهي متر/ثانية وتبلغ سرعة الصوت في الهواء عند درجة 20 مئوية تقريباً 343م/ث.
