- التاريخ
- خصائص الصوت (الخصائص)
- معلمات الموجة الصوتية
- كيف ينتج الصوت وينتشر؟
- سرعة الصوت
- العلاقة بين الطول الموجي والتردد
- كيف يتم قياس الصوت؟
- ديسيبل
- مقياس مستوى الصوت
- أنواع الصوت (دون صوتي ، الموجات فوق الصوتية ، أحادي ، ستريو ، متعدد الألحان ، متماثل ، جهير ، صوت ثلاثي)
- طيف مسموع
- الأشعة تحت الصوتية
- الموجات فوق الصوتية
- صوت أحادي وصوت مجسم
- Homophony و polyphony
- أصوات باس وثلاثية
- المراجع
يُعرَّف الصوت بأنه اضطراب في الانتشار في وسط مثل الهواء ، بالتناوب ينتج عنه ضغطات وتمددات فيه. تصل هذه التغيرات في ضغط الهواء وكثافته إلى الأذن ويفسرها الدماغ على أنها أحاسيس سمعية.
رافقت الأصوات الحياة منذ نشأتها ، وتشكل جزءًا من الأدوات التي يجب أن تتواصل بها الحيوانات مع بعضها البعض ومع بيئتها. يقول بعض الناس أن النباتات تستمع أيضًا ، ولكن على أي حال يمكنهم إدراك اهتزازات البيئة حتى لو لم يكن لديهم جهاز سمع مثل الحيوانات العليا.
الشكل 1. تمزق حاجز الصوت
بالإضافة إلى استخدام الصوت للتواصل من خلال الكلام ، يستخدمه الناس كتعبير فني من خلال الموسيقى. جميع الثقافات ، القديمة والحديثة ، لها مظاهر موسيقية من جميع الأنواع ، يروون من خلالها قصصهم وعاداتهم ومعتقداتهم الدينية ومشاعرهم.
التاريخ
نظرًا لأهميتها ، فقد اهتمت البشرية بدراسة طبيعتها وخلق الصوتيات ، وهي فرع من الفيزياء مخصص لخصائص وسلوك الموجات الصوتية.
من المعروف أن عالم الرياضيات الشهير فيثاغورس (569-475 قبل الميلاد) قضى وقتًا طويلاً في دراسة الفروق في الارتفاع (التردد) بين الأصوات. من ناحية أخرى ، أكد أرسطو ، الذي تكهن بكل جوانب الطبيعة ، بشكل صحيح أن الصوت يتكون من تمددات وانضغاطات في الهواء.
في وقت لاحق كتب المهندس الروماني الشهير فيتروفيوس (80-15 قبل الميلاد) أطروحة حول الصوتيات وتطبيقاتها في بناء المسارح. درس إسحاق نيوتن نفسه (1642-1727) انتشار الصوت في الوسائط الصلبة وحدد صيغة لسرعة انتشاره.
بمرور الوقت ، جعلت الأدوات الحسابية للحساب من الممكن التعبير بشكل مناسب عن كل التعقيدات في سلوك الموجة.
خصائص الصوت (الخصائص)
في أبسط أشكالها ، يمكن وصف الموجة الصوتية بأنها موجة جيبية تنتشر في الزمان والمكان ، كما هو موضح في الشكل 2. ويلاحظ هناك أن الموجة دورية ، أي أنها تحتوي على بطريقة تعيد نفسها في الوقت المناسب.
كونه موجة طولية ، يكون اتجاه الانتشار والاتجاه الذي تتحرك فيه جسيمات الوسط المهتز متماثلين.
معلمات الموجة الصوتية
الشكل 2. الصوت عبارة عن موجة طولية ، ينتشر الاضطراب في نفس الاتجاه الذي تتعرض فيه الجزيئات لإزاحتها. المصدر: ويكيميديا كومنز.
معلمات الموجة الصوتية هي:
الفترة T: الوقت المستغرق لتكرار مرحلة من الموجة. في النظام الدولي يتم قياسه بالثواني.
الدورة: هي جزء الموجة التي تحتويها الفترة ويغطيها من نقطة إلى أخرى له نفس الارتفاع ونفس الميل. يمكن أن يكون من وادي إلى الذي يليه ، من قمة إلى أخرى ، أو من نقطة إلى أخرى تفي بالمواصفات الموضحة.
الطول الموجي λ: هو المسافة بين قمة وأخرى للموجة ، بين واد وآخر ، أو بشكل عام بين نقطة والأخرى بنفس الارتفاع والانحدار. كونه طولًا يقاس بالأمتار ، على الرغم من أن الوحدات الأخرى أكثر ملاءمة اعتمادًا على نوع الموجة.
التردد f: يعرف بأنه عدد الدورات لكل وحدة زمنية. وحدتها هي هرتز (هرتز).
السعة أ: تقابل أقصى ارتفاع للموجة بالنسبة للمحور الأفقي.
كيف ينتج الصوت وينتشر؟
يصدر الصوت عندما يهتز جسم مغمور في وسط مادة ، كما هو موضح في أسفل الشكل 2. يهتز الغشاء المشدود لمكبر الصوت الموجود على اليسار وينقل الاضطراب عبر الهواء حتى يصل المستمع.
مع انتشار الاضطراب ، تنتقل الطاقة إلى الجزيئات في البيئة التي تتفاعل مع بعضها البعض ، من خلال التمدد والضغط. تحتاج دائمًا إلى وسيط مادي لانتشار الصوت ، سواء كان صلبًا أو سائلًا أو غازيًا.
عندما يصل الاضطراب في الهواء إلى الأذن ، تتسبب التغيرات في ضغط الهواء في اهتزاز طبلة الأذن. يؤدي هذا إلى ظهور نبضات كهربائية تنتقل إلى الدماغ عبر العصب السمعي ، وبمجرد وصولها ، تُترجم النبضات إلى صوت.
سرعة الصوت
تتبع سرعة الموجات الميكانيكية في وسط معين هذه العلاقة:
على سبيل المثال عند الانتشار في غاز مثل الهواء ، يمكن حساب سرعة الصوت على النحو التالي:
مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد سرعة الصوت أيضًا ، لأن الجزيئات الموجودة في الوسط تكون أكثر استعدادًا للاهتزاز ونقل الاهتزاز من خلال حركاتها. من ناحية أخرى ، لا يؤثر الضغط على قيمته.
العلاقة بين الطول الموجي والتردد
لقد رأينا بالفعل أن الوقت الذي تستغرقه الموجة لإكمال دورة هي الفترة ، بينما المسافة المقطوعة في تلك الفترة الزمنية تساوي طولًا موجيًا واحدًا. لذلك يتم تعريف سرعة الصوت على النحو التالي:
من ناحية أخرى ، فإن التردد والفترة مرتبطان ، أحدهما معكوس الآخر ، على النحو التالي:
التي تؤدي إلى:
يتراوح نطاق التردد المسموع عند البشر بين 20 و 20000 هرتز ، وبالتالي يتراوح الطول الموجي للصوت بين 1.7 سم و 17 مترًا عند استبدال القيم في المعادلة أعلاه.
هذه الأطوال الموجية هي حجم الأشياء الشائعة ، مما يؤثر على انتشار الصوت ، نظرًا لكونها موجة ، فإنها تتعرض للانعكاس والانكسار والانعراج عندما تواجه عقبات.
تعني تجربة الحيود أن الصوت يتأثر عندما يواجه عوائق وفتحات قريبة من أو أصغر حجمًا مثل طول موجته.
يمكن أن تنتشر أصوات الجهير بشكل أفضل على مسافات طويلة ، وهذا هو السبب في أن الأفيال تستخدم الموجات فوق الصوتية (أصوات منخفضة التردد للغاية ، غير مسموعة للأذن البشرية) للتواصل عبر مناطقهم الشاسعة.
أيضًا ، عند وجود موسيقى في غرفة مجاورة ، يُسمع صوت الجهير أفضل من صوت الطبقة الثلاثية ، لأن الطول الموجي له يقارب حجم الأبواب والنوافذ. من ناحية أخرى ، عند مغادرة الغرفة ، تضيع الأصوات عالية النبرة بسهولة وبالتالي لا يتم سماعها.
كيف يتم قياس الصوت؟
يتكون الصوت من سلسلة من الانضغاطات وخلخلة الهواء ، بحيث ينتشر الصوت ، ويؤدي إلى زيادة الضغط وانخفاضه. في النظام الدولي ، يُقاس الضغط بالباسكال ، ويُختصر باسكال.
ما يحدث هو أن هذه التغييرات صغيرة جدًا مقارنة بالضغط الجوي الذي يساوي 101000 باسكال.
حتى الأصوات الأعلى تنتج تقلبات تصل إلى 20-30 باسكال (حد الألم) ، وهو مقدار ضئيل نسبيًا بالمقارنة. ولكن إذا كان بإمكانك قياس هذه التغييرات ، فلديك طريقة لقياس الصوت.
ضغط الصوت هو الفرق بين الضغط الجوي مع الصوت والضغط الجوي بدون صوت. كما قلنا ، تنتج الأصوات الأعلى ضغوطًا صوتية تبلغ 20 باسكال ، بينما تسبب الأصوات الأضعف حوالي 0.00002 باسكال (حد الصوت).
نظرًا لأن نطاق ضغوط الصوت يمتد على عدة قوى من 10 ، يجب استخدام مقياس لوغاريتمي للإشارة إليها.
من ناحية أخرى ، من الناحية التجريبية ، تم تحديد أن الناس يرون التغييرات في الأصوات منخفضة الكثافة بشكل ملحوظ أكثر من التغييرات من نفس الحجم ولكن في الأصوات الشديدة.
على سبيل المثال ، إذا زاد ضغط الصوت بمقدار 1 ، 2 ، 4 ، 8 ، 16… ، تزداد شدة الأذن بمقدار 1 ، 2 ، 3 ، 4… لهذا السبب ، من الملائم تحديد كمية جديدة تسمى مستوى ضغط الصوت (مستوى ضغط الصوت) L P ، تُعرف على النحو التالي:
حيث P o هو الضغط المرجعي الذي يؤخذ على أنه حد السمع و P 1 هو متوسط الضغط الفعال أو ضغط RMS. هذا RMS أو متوسط الضغط هو ما تراه الأذن متوسط طاقة إشارة الصوت.
ديسيبل
نتيجة التعبير أعلاه لـ L P ، عند تقييمها لقيم مختلفة لـ P 1 ، تُعطى بالديسيبل ، وهي كمية بلا أبعاد. يعد التعبير عن مستوى ضغط الصوت مثل هذا مناسبًا للغاية ، لأن اللوغاريتمات تحول الأرقام الكبيرة إلى أرقام أصغر وأكثر قابلية للإدارة.
ومع ذلك ، يُفضل في كثير من الحالات استخدام شدة الصوت لتحديد الديسيبل بدلاً من ضغط الصوت.
شدة الصوت هي الطاقة التي تتدفق لمدة ثانية واحدة (طاقة) عبر سطح وحدة موجه بشكل عمودي على الاتجاه الذي تنتشر فيه الموجة. مثل ضغط الصوت ، فهي كمية قياسية ويُشار إليها بـ I. وحدات I هي W / m 2 ، أي القدرة لكل وحدة مساحة.
يمكن إثبات أن شدة الصوت تتناسب مع مربع ضغط الصوت:
في هذا التعبير ، ρ هي كثافة الوسط و c هي سرعة الصوت. ثم يتم تعريف مستوى شدة الصوت L I على النحو التالي:
والذي يتم التعبير عنه أيضًا بالديسيبل ويُشار إليه أحيانًا بالحرف اليوناني β. القيمة المرجعية I o هي 1 × 10-12 واط / م 2. وبالتالي ، يمثل 0 ديسيبل الحد الأدنى للسمع البشري ، في حين أن عتبة الألم هي 120 ديسيبل.
نظرًا لأنه مقياس لوغاريتمي ، يجب التأكيد على أن الاختلافات الصغيرة في عدد الديسيبل تحدث فرقًا كبيرًا من حيث شدة الصوت.
مقياس مستوى الصوت
مقياس مستوى الصوت أو مقياس الديسيبلمتر هو جهاز يستخدم لقياس ضغط الصوت ، يشير إلى القياس بالديسيبل. وهي مصممة للاستجابة لها بنفس الطريقة التي تستجيب بها الأذن البشرية.
الشكل 3. يستخدم مقياس مستوى الصوت أو مقياس الديسيبلمتر لقياس مستوى ضغط الصوت. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يتكون من ميكروفون لتجميع الإشارة ، ودوائر أكثر بمكبرات صوت وفلاتر ، تكون مسؤولة عن تحويل هذه الإشارة بشكل مناسب إلى تيار كهربائي ، وأخيراً مقياس أو شاشة لإظهار نتيجة القراءة.
يتم استخدامها على نطاق واسع لتحديد تأثير بعض الضوضاء على الناس والبيئة. على سبيل المثال ضوضاء في المصانع ، الصناعات ، المطارات ، ضوضاء المرور وغيرها الكثير.
أنواع الصوت (دون صوتي ، الموجات فوق الصوتية ، أحادي ، ستريو ، متعدد الألحان ، متماثل ، جهير ، صوت ثلاثي)
الصوت يتميز بتردده. وفقًا لتلك التي يمكن للأذن البشرية التقاطها ، يتم تصنيف جميع الأصوات إلى ثلاث فئات: تلك التي يمكننا سماعها أو الطيف المسموع ، وتلك التي لها تردد أقل من الحد الأدنى للطيف المسموع أو الأشعة دون الصوتية ، وتلك التي تكون فوق الطيف المسموع. الحد الأعلى يسمى الموجات فوق الصوتية.
على أي حال ، نظرًا لأن الموجات الصوتية يمكن أن تتداخل خطيًا ، فإن الأصوات اليومية ، والتي نفسرها أحيانًا على أنها فريدة ، تتكون في الواقع من أصوات مختلفة ذات ترددات مختلفة ولكنها قريبة.
الشكل 4. طيف الصوت ونطاقات التردد. المصدر: ويكيميديا كومنز.
طيف مسموع
صُممت الأذن البشرية لتلتقط نطاقًا واسعًا من الترددات: بين 20 و 20000 هرتز ، لكن لا تُدرك جميع الترددات في هذا النطاق بنفس الشدة.
تعتبر الأذن أكثر حساسية في النطاق الترددي بين 500 و 6000 هرتز ، لكن هناك عوامل أخرى تؤثر على القدرة على إدراك الصوت ، مثل العمر.
الأشعة تحت الصوتية
إنها أصوات يقل ترددها عن 20 هرتز ، لكن حقيقة أن البشر لا يستطيعون سماعها لا تعني أن الحيوانات الأخرى لا تستطيع ذلك. على سبيل المثال ، تستخدمها الأفيال للتواصل ، حيث يمكن أن تنتقل الموجات فوق الصوتية لمسافات طويلة.
الحيوانات الأخرى ، مثل النمر ، تستخدمها لصعق فرائسها. تستخدم الأشعة تحت الصوتية أيضًا في الكشف عن الأجسام الكبيرة.
الموجات فوق الصوتية
لها ترددات أعلى من 20000 هرتز وتستخدم على نطاق واسع في العديد من المجالات. من أبرز استخدامات الموجات فوق الصوتية كأداة طبية ، تشخيصية وعلاجية. الصور التي يتم الحصول عليها بالموجات فوق الصوتية غير جراحية ولا تستخدم الإشعاع المؤين.
تُستخدم الموجات فوق الصوتية أيضًا للعثور على الأعطال في الهياكل وتحديد المسافات واكتشاف العوائق أثناء التنقل والمزيد. تستفيد الحيوانات أيضًا من الموجات فوق الصوتية ، وفي الواقع هذه هي الطريقة التي تم بها اكتشاف وجودها.
تصدر الخفافيش نبضات صوتية ثم تفسر الصدى الذي تنتجه لتقدير المسافات وتحديد موقع الفريسة. من جانبهم ، يمكن للكلاب أيضًا سماع الموجات فوق الصوتية وهذا هو سبب استجابتها لصافرة الكلب التي لا يستطيع صاحبها سماعها.
صوت أحادي وصوت مجسم
الشكل 4. في استوديو التسجيل ، يتم تعديل الصوت بشكل مناسب بواسطة الأجهزة الإلكترونية. المصدر: Pixabay.
الصوت الأحادي هو إشارة مسجلة بميكروفون واحد أو قناة صوتية. عند الاستماع باستخدام سماعات الرأس أو أبواق الصوت ، تسمع كلتا الأذنين نفس الشيء تمامًا. في المقابل ، يسجل الصوت المجسم الإشارات بميكروفونين مستقلين.
توجد الميكروفونات في مواضع مختلفة بحيث يمكنها التقاط ضغوط صوت مختلفة لما تريد تسجيله.
ثم تتلقى كل أذن واحدة من هذه المجموعات من الإشارات ، وعندما يجمعها الدماغ ويفسرها ، تكون النتيجة أكثر واقعية من الاستماع إلى الأصوات أحادية الصوت. لذلك فهي الطريقة المفضلة عندما يتعلق الأمر بالموسيقى والأفلام ، على الرغم من أن الصوت أحادي الصوت أو أحادي الصوت لا يزال يستخدم في الراديو ، خاصة في المقابلات والمحادثات.
Homophony و polyphony
من الناحية الموسيقية ، تتكون النغمة المتجانسة من نفس اللحن الذي يتم عزفه بواسطة صوتين أو أكثر. من ناحية أخرى ، يوجد في تعدد الأصوات صوتان أو أكثر أو أدوات متساوية الأهمية تتبع الألحان وحتى الإيقاعات المختلفة. المجموعة الناتجة من هذه الأصوات متناغمة ، مثل موسيقى باخ.
أصوات باس وثلاثية
تميز الأذن البشرية الترددات المسموعة بأنها عالية أو منخفضة أو متوسطة. هذا ما يعرف بنبرة الصوت.
تعتبر أعلى الترددات ، بين 1600 و 20000 هرتز ، أصواتًا حادة ، ويتوافق النطاق بين 400 و 1600 هرتز مع الأصوات ذات النغمة المتوسطة ، وأخيرًا الترددات في النطاق من 20 إلى 400 هرتز هي نغمات الجهير.
تختلف أصوات الجهير عن الطبقة الثلاثية في أن الأول يُنظر إليه على أنه عميق ومظلم ومزدهر ، في حين أن الأخير خفيف وواضح ومبهج وثاقب. أيضًا ، تفسرها الأذن على أنها أكثر كثافة ، على عكس أصوات الجهير ، التي تنتج إحساسًا أقل كثافة.
المراجع
- Figueroa، D. 2005. الموجات والفيزياء الكمومية. السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. حرره د. فيغيروا.
- جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. السادس. إد برنتيس هول.
- روكامورا ، أ. ملاحظات حول الصوتيات الموسيقية. تم الاسترجاع من: eumus.edu.uy.
- سيرواي ، آر ، جيويت ، ج. (2008). فيزياء للعلوم والهندسة. المجلد 1. السابع. Ed. Cengage Learning.
- ويكيبيديا. الصوتيات. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.