خصائص الصوت وطرق اكتشافه

تُعتبر خصائص الصوت وكشفه من الموضوعات الحيوية التي تُثير فضول العديد من الأشخاص في حياتهم اليومية. إن الصوت يمثل ظاهرة فيزيائية مهمة، وقد يظل كيفية تكونه وتواتره بعض الألغاز التي تحتاج للاستكشاف.

نتفاعل مع الصوت بشكل يومي، ولكننا نادراً ما نتأمل في خصائصه وطرق انتقاله. لذا، في هذا المقال، سنسلط الضوء على الصوت وخصائصه بمزيد من التفصيل.

ما هو الصوت؟

• تعرف الصوت بأنه موجات كهرومغناطيسية قادرة على خلق ضغط، ولا يمكنها الانتقال في الفراغ، بل تحتاج إلى وسط ناقل. وتتولد هذه الموجات نتيجة اهتزاز الأجسام.
• عندما يهتز جسم ما، يقوم بتحريك الهواء المحيط به (كوسط ناقل)، ما ينتج عنه تشكيل موجات مشابهة لأمواج البحر، مما يؤدي إلى إنتاج الصوت.
• يمكن أن نعرف الصوت بشكل آخر على أنه طاقة ناتجة عن حركة جزيئات المادة، وهذه الطاقة تتنقل بعيداً عن مركز الحدث.

خصائص الصوت

يعد الصوت ظاهرة فيزيائية تحمل العديد من الخصائص، منها:

• التردد: يُشير التردد إلى عدد الحركات التي تصنعها الموجات الصوتية في الثانية.
  • بمعنى آخر، هناك علاقة طردية بين التردد وسرعة حركة جزيئات المادة.
• كلما زاد التردد، زادت سرعة حركة جزيئات المادة. وحدة قياس التردد تُعرف بالهرتز أو الكيلو هرتز.
• ارتفاع الموجة: يتعلق ارتفاع الموجة بمدى سماع الصوت وشدته، حيث ينتج عن الحركة القوية لمصدر الصوت موجة مرتفعة يمكن سماعها بوضوح.
  • إذا كانت الحركة ضعيفة، فإن الموجة تكون أقل ارتفاعًا، مما يؤدي إلى صوت منخفض أو مفقود.

الطول الموجي

• يرتبط الطول الموجي بالتردد وسرعة الصوت. الطول الموجي يعبر عن المسافة التي يخترقها الصوت خلال دورة واحدة.
• يمكن حساب الطول الموجي باستخدام معادلة رياضية مكونة من قسمة سرعة الصوت على التردد. بالطريقة الرياضية، نجد أن التردد يتناسب عكسياً مع الطول الموجي، حيث إنه كلما زاد التردد، قل طول الموجة.
• سرعة الصوت: سرعة الصوت تعتمد على كثافة ومرونة الوسط الذي ينتقل فيه.
  • عندما تقل كثافة الوسط، تزداد سرعة الصوت، وعندما تزداد مرونة الوسط، تزداد أيضًا سرعة الصوت.
• ينتقل الصوت أسرع في الأجسام الصلبة مقارنةً بالسوائل، ويكون انتقاله أسرع في السوائل مقارنةً بالغازات.
  • تتغير سرعة الصوت أيضًا مع تغير درجة حرارة الوسط، حيث يزداد الصوت مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب تأثيرها على كثافة المادة، خاصةً في الحالة الغازية والسائلة.
• الكثافة: تشير الكثافة إلى مدى وضوح الصوت بالنسبة للأذن البشرية. هناك علاقة عكسية بين الكثافة والمسافة.
  • كلما زادت المسافة، قلت كثافة الصوت، ويتم قياسها بالديسيبل.
• الحجم: يتأثر حجم الصوت بكثافته، ويوجد علاقة طردية بين الحجم والكثافة.
  • كلما زادت الكثافة، زاد حجم الصوت، حيث أن الأذن البشرية حساسة جداً لبعض الترددات.
  • أقل كثافة مسموعة هي صفر ديسيبل، ويمكن للأذن البشرية سماع الأصوات بهذا المستوى.
  • تتراوح الترددات التي يمكن سماعها من 2000 إلى 5000 هرتز، حيث تؤدي الأصوات بأقل أو أكثر من هذه الترددات إلى تغيير كثافة الصوت مما قد يسبب الأذى للأذن.
• الزمن: الزمن هو الفترة التي تستمر خلالها الموجات الصوتية في الانتشار.
  • يتواجد علاقة طردية بين الزمن وارتفاع الصوت، حيث كلما زاد الزمن، ارتفع الصوت.

سعة الموجة الصوتية

• تمثل سعة الموجة الصوتية قوة الإشارة الناتجة عن الجسم الذي يصدر الصوت.
  • يوجد علاقة طردية تربط بين الصوت وسعة الموجة الصوتية، أي أنه كلما زادت سعة الموجة، ارتفع الصوت.
• انعكاس الصوت: هو العملية التي تعيد فيها الموجات الصوتية إلى مصدرها عندما تصطدم بسطح عاكس.
  • ويمكن أن نلاحظ هذه الظاهرة في حياتنا اليومية، كعند إصدار صوت في غرفة فارغة حيث نسمعه مرة أخرى، وهي ما تعرف بـ”صدى الصوت”.

تأثير حركة الوسط المادي على خصائص الصوت

• إذا كان الوسط المادي الذي تنتقل فيه الموجات الصوتية في حركة، فإن هذه الحركة قد تؤثر على سرعة الصوت تبعاً لاتجاه الحركة.
• على سبيل المثال، تزداد سرعة الموجة الصوتية إذا كانت تتحرك في نفس اتجاه حركة الوسط المادي.
  • بينما تقل سرعة الصوت إذا كانت الموجات تتحرك عكس اتجاه حركة الوسط.

مصادر الصوت

توجد العديد من المصادر التي تنتج الصوت، ومنها:

• يمكن أن يحدث الصوت عند اهتزاز الأجسام الصلبة.
• يظهر الصوت أيضاً نتيجة الضغط أو التوسع السريع، كما يحدث في حالات الانفجارات.
• عندما يخرج الهواء بقوة حول مواد معينة، ينتج ترددات محدثاً موجات صوتية مثل الأصوات المنبعثة من الآلات الموسيقية.

انتقال الصوت

ينتقل الصوت عبر الموجات الصوتية التي تتوزع في الفراغ، ويحتاج إلى طاقة تساعد على نشره. وهناك نوعان من الموجات الصوتية:

• الموجات الطولية: هي اهتزازات جزيئات المادة في نفس الاتجاه الذي تُنقل فيه الطاقة. تنتقل الصوت في نفس اتجاه حركة الجسم، وتُعتبر من أبسط الموجات، وتحدث في السوائل والغازات.
• الموجات العرضية: تنتشر هذه الموجات الصوتية في الأوساط الصلبة، حيث يكون اتجاهها عمودياً على اتجاه انتشار الصوت.

كشف الصوت

• تظهر الموجات الصوتية نتيجة وجود طاقة حركة من جسم ما، حيث تنتشر هذه الموجات حتى تصل إلى أذن الإنسان.
• تقوم الأذن بالتقاط الأمواج الصوتية، ثم تصل إلى طبلة الأذن، ثم إلى الأذن الوسطى.
• بعد ذلك، تصل إلى الأذن الداخلية التي تحتوي على القوقعة، والتي تحتوي على العديد من الشعيرات الصغيرة التي تهتز بفعل الموجات الصوتية.
• تقوم هذه الشعيرات بتوليد إشارات كهربائية تُنقل إلى الدماغ، الذي يميزها ويُترجمها على أنها صوت.

أنواع الموجات الصوتية

هناك ثلاثة أنواع من الموجات الصوتية (الموجات المسموعة – الموجات تحت السمعية – الموجات فوق السمعية):

• الموجات المسموعة: هي الموجات ذات التردد الذي يمكن سماعه بواسطة الأذن البشرية، وتصدر من الآلات الموسيقية ومكبرات الصوت، بالإضافة إلى الأصوات التي يصدرها الإنسان.
• الموجات تحت السمعية: هي الموجات ذات الترددات التي تقل عن الحد الذي تستطيع الأذن البشرية سماعه، ولا تستطيع الأذن تمييزها. يستخدم الفيل هذه الموجات للتواصل مع قطيعه.
• الموجات فوق السمعية: هي الموجات ذات الترددات الأعلى من قدرة الأذن البشرية على السمع. تستخدم في بعض الأحيان في تكنولوجيا الصفائر الصامتة لإرشاد الكلاب، وأيضاً في التطبيقات الطبية.