هل هنالك تعريف للصوت من نظرة فيزيائية؟

 بالتأكيد! إليك ذلك: الصوت هو اضطراب ميكانيكي ناتج عن حالة توازن تنتشر عبر وسط مادة مرنة.

من الممكن أيضًا أن نتطرق لتعريف شخصي بحت للصوت، مثل ما تدركه الأذن فقط، ولكن هذا التعريف ليس منيرًا بشكل خاص وهو مقيد بشكل مفرط، لأنه من المفيد التحدث عن الأصوات التي لا يمكن أن تسمعها الأذن البشرية، مثل تلك التي تنتجها صفارات الكلاب أو معدات السونار.

يستحب أن تبدأ دراسة الصوت بخصائص الموجات الصوتية. وهناك نوعان أساسيان من الموجات، الموجات المستعرضة والموجات الطولية، متباينة حسب الطريقة التي تنتشر بها الموجة.

في الموجة المستعرضة، مثل الموجة المتولدة في حبل ممتد عندما يتذبذب أحد طرفيه ذهابًا وإيابًا، تكون الحركة التي تشكل الموجة عمودية أو عرضية على الاتجاه (على طول الحبل) الذي تتحرك فيه الموجة. يتم إنشاء مجموعة مهمة من الموجات المستعرضة بواسطة مصادر كهرومغناطيسية مثل الضوء أو الراديو، حيث تتأرجح المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تشكل الموجة بشكل عمودي على اتجاه الانتشار.

ومن المعروف أن الصوت يمكن أن ينتشر عبر الهواء أو غيره من الأوساط كموجة طولية، حيث يحدث الاهتزاز الميكانيكي الذي يشكل الموجة على طول اتجاه انتشار الموجة. يمكن إنشاء موجة طولية في زنبرك ملفوف عن طريق ضغط العديد من المنعطفات معًا لتشكيل ضغط ثم إطلاقها، مما يسمح للضغط بالانتقال بطول الزنبرك. يمكن النظر إلى الهواء على أنه يتكون من طبقات مماثلة لمثل هذه الملفات، مع انتشار موجة صوتية كطبقات من الهواء "تدفع" و "تسحب" في بعضها البعض مثل الضغط الذي يتحرك إلى أسفل الزنبرك.

وهكذا.. تتكون الموجة الصوتية من ضغطات متناوبة وخلخلة، أو مناطق ذات ضغط مرتفع وضغط منخفض، تتحرك بسرعة معينة. بعبارة أخرى، يتكون الصوت من تغير دوري (أي تأرجح أو اهتزاز) للضغط الذي يحدث حول ضغط التوازن السائد في وقت ومكان معينين. يتم تمثيل ضغط التوازن والتغيرات الجيبية الناتجة عن مرور موجة صوتية نقية (أي موجة بتردد واحد).

الموجات المستوية Plane Waves:

يمكن لنا أن نبدأ الحديث عن الموجات الصوتية وحتى عن خصائص انتشار الموجات الصوتية عن طريق تفحّص موجة مستوية لتردد واحد عابر عبر وسط كالهواء. إن الموجة المستوية Plane Wave هي موجة تنتشر عبر الفضاء "كمستوى"، لا كمجال له نصف قطر يتزايد. وعلى هذا النحو، فهو لا يمثل الصوت تمامًا. إن مثال الشوكة الرنانة واحد من أهم الأمثلة في هذا لمجال، ويمكن سماع موجة من التردد الفردي مثل صوت صافٍ عند ضرب الشوكة الرنانة برفق. كنموذج نظري، فإنه يساعد في توضيح العديد من خصائص الموجة الصوتية.

الطول الموجي والدورة والتردد Wavelength, Periods, and Frequency

ويحدث تكرار للتغيرات في الضغط التي تحدث في الموجة الصوتية في الفضاء وهذا التكرار يحدث على مسافة معينة. تُعرف هذه المسافة بالطول الموجي للصوت، ويقاس عادةً بالأمتار ويمثله الرمز λ. عندما تنتشر الموجة عبر الهواء، يستغرق طول موجي كامل فترة زمنية معينة لتمرير نقطة معينة في الفضاء؛ عادة ما يتم قياس هذه الفترة، التي يمثلها T، في أجزاء من الثانية.

بالإضافة إلى ذلك، خلال كل فترة زمنية مدتها ثانية واحدة، يمر عدد معين من الأطوال الموجية بنقطة في الفضاء. يُعرف عدد الأطوال الموجية التي تمر في الثانية، المعروف بتردد الموجة الصوتية، تقليديًا بالهرتز أو الكيلوهيرتز ويتم تمثيله بـ f.

هناك علاقة عكسية بين تردد الموجة ودورتها.

ويمكن أن نفهم من ذلك أن الموجات الصوتية ذات الترددات العالية لها دورات قصيرة، بينما الموجات ذات الترددات المنخفضة لها دورات طويلة. على سبيل المثال، الموجة الصوتية بتردد 20 هرتز سيكون لها فترة 0.05 ثانية (أي 20 طولاً موجي / ثانية × 0.05 ثانية / طول موجي = 1)، ولكن موجة صوتية 20 كيلو هرتز سيكون لها فترة 0.00005 ثانية (20000 طول موجي / ثانية × 0.00005 ثانية / الطول الموجي = 1). بين 20 هرتز و 20 كيلوهرتز تكون واقعة ضمن نطاق التردد البشري المسموع.

يُنظر إلى الخاصية الفيزيائية للتردد من الناحية الفسيولوجية على أنها نغمة، بحيث كلما زاد التردد، زادت درجة الصوت المتصورة. هناك أيضًا علاقة تربط بين الطول الموجي للموجة الصوتية وترددها أو مدتها وسرعة الموجة (S).

التداخل Interference
موجات بنّاءة وموجات هدّامة Constructive and destructive waves

هل يوجد أنواع مختلفة لتداخل الأمواج - قد تتساءل؟ بالتأكيد نعم! تُعرف الطريقة الخاصة التي يمكن أن تتحد بها الموجات الصوتية بالتداخل. يمكن أن تتداخل موجتان متطابقتان في نفس المكان في نفس الوقت بشكل بناء إذا كانتا في الطور in phase أو مدمرة إذا كانتا خارج الطور out of phase. "الطور phase" مصطلح يشير إلى العلاقة الزمنية بين إشارتين دوريتين. وتعني عبارة "في الطور" أنهما تهتزان معًا، بينما تعني عبارة "خارج الطور" أن اهتزازاتهما متعاكسة. الاهتزازات المتعاكسة مجتمعة تلغي بعضها البعض.

يؤدي التداخل البناء إلى زيادة اتساع موجة المجموع، بينما يمكن أن يؤدي التداخل المدمر إلى الإلغاء التام للموجات المساهمة.

مثال مثير للاهتمام لكل من تداخل الصوت وانحرافه، يسمى تجربة "السماعة والعزل Speaker and baffle"، يتضمن مكبر صوت صغير وصفيحة خشبية مربعة كبيرة بها فتحة دائرية بحجم السماعة. عند تشغيل الموسيقى على مكبر الصوت، تنحرف الموجات الصوتية من الجزء الأمامي والخلفي من السماعة، والتي تكون خارج الطور، إلى المنطقة المحيطة بالسماعة بأكملها. تتداخل الموجتان بشكل مدمر وتلغي بعضهما البعض، خاصة عند الترددات المنخفضة جدًا، حيث يكون الطول الموجي أطول وبالتالي يكون الانعراج أكبر.

عندما يتم تعليق السماعة خلف الحاجز، لا يمكن للأصوات أن تنحرف وتختلط عندما تكون خارج الطور، ونتيجة لذلك تزداد شدتها بشكل كبير. توضح هذه التجربة سبب تركيب مكبرات الصوت غالبًا في صناديق، بحيث لا يتداخل الصوت من الخلف مع الصوت من الأمام. في نظام الاستريو المنزلي، عندما يتم توصيل اثنين من مكبرات الصوت بشكل صحيح، تكون موجات الصوت الخاصة بهما في طور على طول خط عكسي بين السماعتين وفي منطقة الاستماع الأفضل. إذا تم توصيل السماعتين بشكل غير صحيح - تم عكس الأسلاك على أحد السماعات - فستكون موجاتهما خارج الطور في منطقة الاستماع الأفضل وستتداخل بشكل مدمر - خاصة عند الترددات المنخفضة، بحيث يتم تخفيف ترددات الجهير بشدة.

التطبيق الشائع للتداخل المدمر هو كاتم صوت السيارات الإلكتروني الحديث. يستشعر هذا الجهاز الصوت الذي ينتشر عبر أنبوب العادم ويخلق صوتًا مطابقًا للطور المعاكس. يتداخل هذان الصوتان بشكل مدمر، مما يؤدي إلى إسكات ضوضاء المحرك. تطبيق آخر في التحكم في الضوضاء الصناعية. يتضمن ذلك استشعار الصوت المحيط في مكان العمل، وإعادة إنتاج الصوت إلكترونيًا مع المرحلة المعاكسة، ثم إدخال هذا الصوت في البيئة بحيث يتداخل بشكل مدمر مع الصوت المحيط لتقليل مستوى الصوت الكلي.


سرعة الصوت Speed of sound
في الغازات In gases

بالنسبة للموجات الطولية مثل الصوت، تُعطى سرعة الموجة بشكل عام على أنها الجذر التربيعي لنسبة معامل المرونة للوسط (أي قدرة الوسيط على الانضغاط بواسطة قوة خارجية) إلى كثافته: المعادلة.



في السوائل In liquids

بالنسبة لوسط سائل، فإن المعامل المناسب هو معامل الحجم، بحيث تكون سرعة الصوت مساوية للجذر التربيعي لنسبة معامل الحجم (B) إلى كثافة التوازن (ρ). وتختلف سرعة الصوت في السوائل اختلافًا طفيفًا مع درجة الحرارة.

في المواد الصلبة In solids

بالنسبة إلى مادة صلبة طويلة ورقيقة، يكون المعامل المناسب هو معامل يونج، أو معامل التمدد (نسبة قوة الشد المطبقة لكل وحدة مساحة من المادة الصلبة إلى التغير الناتج في الطول لكل وحدة طول؛ سميت باسم الفيزيائي والطبيب الإنجليزي توماس يونغ).

في حالة وجود مادة صلبة ثلاثية الأبعاد، حيث تنتقل الموجة إلى الخارج في موجات كروية، يصبح التعبير أعلاه أكثر تعقيدًا. يلعب كل من معامل القص، الذي يمثله  η، ومعامل الحجم B دورًا في مرونة الوسط.