تعريف الصوت في الفيزياء
في الفيزياء يُعرّف الصوت بأنّه عبارة عن موجات ميكانيكية طولية؛ والأمواج الميكانيكية هي الأمواج التي تنتقل خلال الأوساط المادية، ولا يمكنها الانتشار دون وجودِ وسطٍ مادي، بينما يقال عن الموجة إنها طولية إذا كان اتجاه انتشار هذه الموجة هو اتجاه اهتزازها نفسه، (يوجد نوع آخر من الأمواج وهو الأمواج المستعرضة، وهذه الأمواج تنتشر بشكلٍ عامودي على اتجاه الاهتزاز مثل أمواج الماء).
كما يمكن تعريف الصوت على أنه اهتزاز ينشأ ويُحمل على الأوساط المادّية (مثل الهواء) لينتقل خلالها ، وإذا وصل الصّوت لمستقبل مثل أذن الإنسان فإنه يمكن إدراكه عن طريق حاسة السمع.
كيف ينشأ الصوت؟
حتى نتمكن من فهم الآلية التي ينشأ عبرها الصوت بشكلٍ بسيط فإنه من الممكن الاستعانة بالأداة المعروفة بالشوكة الرنانة؛ والشوكة الرنانة هي عبارة عن قطعة معدنية تشبه شوكة الطعام، ولها سنّان اثنان، وتكون مثبّتةً على صندوق عادةً ما يكون من الخشب، ويكون هذا الصندوق مجوّفاً. ومبدأ عمل الشوكة الرنّانة كالآتي:
- ضرب أحد سِنّي الشوكة الرنانة وعندها سوف تبدأ بالاهتزاز.
- هذا الاهتزاز سوف يقوم بتحريك جزيئات الهواء المحيطة بهذه الشوكة بالحركة الاهتزازية نفسها التي تتحرّكها الشوكة (إلى الأمام والخلف)، لكن الشوكة لن تقوم بتحريك كامل الهواء المجاور لها، بل جزءاً من جزيئات الهواء المجاور لها.
- بحركة هذه الجزيئات للأمام مبتعدةً عن الشوكة الرنانة فإن الهواء القريب من الشوكة الرنانة سوف ينخفض ضغطه، وفي المقابل سوف يزداد ضغط الهواء في المنطقة التي أُزيحت لها جزيئات الهواء.
- هذا الأمر (من انخفاض ضغط الهواء في منطقة على حساب زيادته في المنطقة المجاورة) سوف يتكرر مسبباً انتقال الصوت.
وهنا تجدر الإشارة إلى أن منطقة الضغط المنخفض تعرف بالتخلخل، ومنطقة الضغط المرتفع بالتضاغط، وبهذا يمكن القول إن الموجة الصوتية تتألف من تضاغطات يفصل بينها تخلخلات.
خصائص الأمواج الصوتية
بشكلٍ عام ومثل أي موجة أخرى، فإن الأمواج الصوتية تمتلك العديد من الخصائص التي تُميز موجةً عن أخرى مثل؛ التردد، والطول الموجي، والسعة، والزّمن الدوري، وفيما يأتي تفصيل لكل منها:
- التردد: يمكن معرفة تردد الموجة عن طريق معرفة عدد الموجات الكاملة التي تمر خلال نقطةٍ ما في وحدة الزمن، والتردد يكافئ مقلوب الزمن الدوري، وهو يُقاس بوحدة الهيرتز (1 هيرتز = 1/ثانية).
- الطول الموجي: هو المسافة بين أي تضاغطين متتاليين أو تخلخلين متتاليين، ويتم قياس الطول الموجي بوحدات قياس الطول (بالمتر إذا كنا نستخدم النظام العالمي للوحدات). كما أن المسافة بين تضاغطين متتاليين أو تخلخلين متتاليين تُمثّل موجةً كاملةً، لهذا فإن الموجة الكاملة تساوي طولاً موجياً واحداً.
- السعة: لفهم ماهية السعة، فإنه يجب أن معرفة أن الموجة الصوتية تتشكل من تضاغطات يفصل بينها تخلخلات، فكما ذكر سابقًا أن التضاغط هو زيادة في الضغط، والتخلخل هو نقصان في الضغط، وهذا يعني أن الموجة الصوتية تسبّب تأرجحاً في ضغط الوسط الذي تنتقل خلاله، ومقدار أقصى قيمة لهذا التأرجح هو سعة الموجة، ومن الجدير بالذكر أن شدة الموجة الصوتية (أي مقدار الإزعاج الذي سوف تُسببه هذه الموجة) تتناسب مع مربّع سعة هذه الموجة. بما أن سعة الموجة هي ضغط فهذا يعني بالضرورة أنها سوف تكون مقاسة بوحدات قياس الضغط مثل الباسكال، ويجدر الإشارة إلى أن الضغط الجوي في الظروف المعيارية هو 10 باسكال، ويمكن لأُذُن الإنسان الإحساس بموجة صوتية تمتلك على الأقل سعةً مقدارها 10 باسكال، بينما السعة التي سوف تسبب للأذن الألم وتؤذيها هي 10 باسكال.
- الزمن الدوري: فهو الزمن اللازم لموجة كاملة (طول موجي كامل) للعبور من نقطةٍ ما، وهو يقاس بوحدات قياس الزمن مثل الثانية.
يُمكن حساب سرعة انتشار الصوت عن طريق ضرب الطول الموجي للموجة الصوتية بترددها ، ومتوسط سرعة الصوت في الهواء هو 343م/ث عند درجة حرارة 20 مئوية، وسرعة الصوت في الأوساط السائلة أكبر منها في الأوساط الغازية وسرعة الصوت في الأوساط الصلبة أكبر من سرعته في الأوساط السائلة أو الغازية.
وحدة قياس شدة الصوت
قبل الحديث عن وحدة قياس شدة الصوت لا بد من توضيح أنه يوجد نوعان لوحدات القياس وهي وحدات القياس الثابتة (مثل المتر والكيلوغرام، والكلفن) ووحدات قياس نسبية مثل وحدة قياس شدة الصوت المعروفة بالديسيبل (بالإنجليزية: Decibel) وعادةً ما تُختصر بالحرفين dB، ويختلف الديسيبل من وسط لآخر فعلى سبيل المثال الديسيبل في الهواء يختلف عن الديسيبل في الماء.
عندما يقال إن الديسيبل هو وحدة نسبية فإن المعنى من 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 مختلفةٌ في كل من الماء والهواء، حيث إن الضغط المرجعي في الماء يساوي 1 ميكرو باسكال، بينما الضغط المرجعي في الهواء هو 20 ميكرو باسكال.
نطاق السمع لدى الإنسان
نطاق السمع لدى الإنسان هو ببساطة مدى الصوت الذي يستطيع الإنسان سماعه، يعتمد مدى سمع الإنسان على شدّة الصوت ودرجته، حيث إن الشدة تُقاس بالديسيبل، ودرجة الصوت تُقاس بالهيرتز.
وعند الحديث عن مدى سمع الإنسان بالنسبة لدرجة الصوت فإن الإنسان الطبيعي يستطيع سماع صوت درجته على الأقل 20 هيرتز و20000 هيرتز كحدٍ أعلى لا يسبب الإزعاج، لكن حاسة السمع لدينا تكون أكثر حساسية للأمواج الصوتية التي بين 2000-5000 هيرتز. لكن عند الحديث عن مدى سمع الإنسان من جهة شدة الصوت فإنه يمكن للإنسان سماع الأصوات إبتداءً من 0 ديسيبل، لكن الأصوات التي تكون شدتها أكثر من 85 ديسيبل سوف تكون خطيرة على سمع الإنسان (خاصةً عند التعرض لأصوات شدتها أعلى من 85 ديسيبل لمدة طويلة، فهذا سوف يؤدي إلى تلف الجهاز السمعي تدريجياً).
بالرغم من اتساع مدى سمع الإنسان إلا أنه لا يستطيع سماع جميع الأصوات، حيث إنه يوجد أصوات خارج نطاق سمع الإنسان مثل الصوت الصادر عن صفارة الكلاب (الكلاب تمتلك مدى سمع أعرض من الذي يمتلكه الإنسان).
يُعرّف الصوت بأنّه عبارة عن موجات ميكانيكية طولية؛ والأمواج الميكانيكية هي الأمواج التي تنتقل خلال الأوساط المادية، ولا يمكنها الانتشار دون وجودِ وسطٍ مادي، ويتميز الصوت بمجموعة من الخصائص؛ كالتردد، والطول الموجي، والسعة، والزمن الدوري، وتعرف الديسيبيل بأنها وحدة قياس شدة الصوت، ويختلف الديسيبل من وسط لآخر فعلى سبيل المثال الديسيبل في الهواء يختلف عن الديسيبل في الماء.
