تويت
الصوت والصوتيات
يولد 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 تحت ناقوس زجاجي. فإذا فرغ الهواء من الناقوس، انعدم سماع صوت الجرس خارجه. ويمكن للصوت أن ينتشر في الأوساط المادية المختلفة؛ الغازية والسائلة، والصلبة.
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.
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 modulusورمزه B وكثافة السائل ρ بالعلاقة:
أما الأجسام الصلبة، فسرعة الصوت فيها أعلى من كل من الغازات والسوائل، وتعطى بدلالة معامل يانغ Young’s modulusورمزه Y وكثافة الجسم الصلب ρ بالعلاقة
ويبين الجدول بعض القيم النموذجية لسرعة الصوت في أوساط مختلفة؛ غازية وسائلة وصلبة
يدخل الصوت الأذن[ر] 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.
تصنف الأصوات بحسب نوع الاهتزاز المولد لها. فإذا كان الاهتزاز دورياً أمكن تعريف ثلاث صفات مميزة هي: ارتفاع الصوت pitch وجهارة الصوت أو شدتهloudness وطابع الصوت timber.
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 للألم1W/m2 . وتقارن شدات الأصوات بالديسيبل dB وفقاً للعلاقة
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 بالتوافقياتharmonics 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
أحمد حصري
 |
| الشكل (1) 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.
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:
 |
ينتشر الصوت في الأجسام السائلة بسرعة أكبر من سرعته في الهواء، وتعطى سرعته V بدلالة معامل الحجم Bulk modulusورمزه B وكثافة السائل ρ بالعلاقة:
 |
 |
|
 |
| الشكل (2) 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 للألم1W/m2 . وتقارن شدات الأصوات بالديسيبل dB وفقاً للعلاقة
 |
 |
| الشكل (3) 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 |
أما طابع الصوت فيرتبط بالتوافقياتharmonics 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
أحمد حصري