Question

ما هو تعريف الصوت وما سرعة وما خصائصه؟ 

مرحبا بكم في موقع الاستفاده سوف نقدم لكم على موقعنا الثقافي والمتنوع في شتى مجالات الحياة ونقدم لكم

ما هو تعريف الصوت وما سرعة وما خصائصه؟ 

الصوت هو تردد آلي، أو موجة قادرة على التحرك في وسط مادي مثل الهواء، والأجسام الصلبة، السوائل، والغازات، ولا تنتشر في الفراغ (إذا وضعنا جرسًا في ناقوس زجاجي وفرغنا الناقوس من الهواء، فإننا لا نسمع صوت الجرس عندما يدق بسبب عدم انتقال هزات (صوت) الجرس في الفراغ). وباستطاعة الكائن الحي تحسس الصوت عن طريق عضو خاص يسمى الأذن. ومصادر الصوت في الطبيعة كثيرة، كانفجارات البراكين وأصوات الرعد؛ ويصدر من حركة الأجسام، كحركة السيارات والطائرات. من منظور علم الأحياء الصوت هو إشارة تحتوي على نغمة أو عدة نغمات تصدر من الكائن الحي الذي يملك العضو الباعث للصوت، تستعمل كوسيلة اتصال بينه وبين كائن آخر من جنسه أو من جنس آخر، يعبر من خلالها عما يريد قوله أو فعله بوعي أو بغير وعي مسبق، ويسمى الإحساس الذي تسببه تلك الذبذبات بحاسة السمع.

ويعد الصوت أساس الكثير من الخبرات التي يكتسبها الإنسان. وقد كان الإنسان في الماضي لا يعتمد على الأصوات التي يصدرها من حنجرته فحسب، وإنما أيضًا على أصوات الطبول والأدوات التي تحدث الجلجلة والخشخشة وأيضًا بالمزامير.

وتقدر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي ب 343 متر في الثانية أو 1224 كيلومتر في الساعة. تتعلق سرعة الصوت بصلابة وكثافة المادة التي يتحرك فيها الصوت وكذلك تعتمد على درجة حرارته.

الصوت هو اهتزاز ميكانيكي للوسط، الموجة الصوتية هي إحدى أشكال الصوت (نماذج الانتشار) التي يتميز بها الصوت، وكمثال على نماذج أخرى: التيارات الصوتية والتدفق الصوتي.

هنالك عوامل أخرى تؤثر على انتشار الصوت وسرعته كطبيعة المادة (اللزوجة، والكثافة، ودرجة الحرارة، وتأثر الوسط بمجال مغناطيسي). فالصوت ينتقل في الهواء والماء والغازات والسوائل وفي قضيب الحديد أو النحاس أو حتى عبر الحوائط والجدران.

يستطيع الإنسان سماع الصوت عند ترددات بين نحو 20 هيرتز (أي 20 اهتزازة في الثانية) و20 كيلو هيرتز (أي 20 ألف اهتزازة في الثانية). الصوت ذو تردد أعلى من 20.000 هيرتز يسمى تردد فوق صوتي وأما الصوت في ترددات أقل من 20 هيرتز فهي ترددات تحت صوتية، وتختلف نطاقات سماع الحيوانات عن نطاقات سماع الإنسان.

من خصائص الأمواج الصوتية:

تتألف الموجة الصوتية أو الأمواج الصوتية في أي وسط من حركة اهتزازية حركة اهتزازية سريعة للجزيئات التي تألف الوسط. فحركة إحدى جزيئات الوسط تؤدي إلى اضطراب الجزيئات المجاورة، وهذه بدورها تقوم بنفس العمل، وهكذا دواليك، بحيث أن موجة من الاضطراب تعبر الوسط ابتداء من نقطة الحركة الأولى. وعندما تهتز الشوكة الرنانة في الهواء، فإن حركة الشعبة المهتزة إلى الأمام تضغط الهواء المجاور. إلا أنه سرعان ماتعود هذه المنطقة المنضغطة من الهواء إلى حالتها الاعتيادية بفضل الخاصة المطاطية للهواء وعلى حساب انضغاط المناطق المجاورة، بحيث أن موجة من الضغط الزائد تنتشر ابتداء من الشعبة المهتزة من الشوكة الرنانة، وبنفس الطريقة فإن حركة الشعبة المهتزة إلى الخلف تولد موجة من الضغط الناقص أو التخلخل.

تولد الشوكة الرنانة على هذه الشاكلة ما نسميه بالصوت الصافي Pure Tone الذي يعبر عنه كميا بعنصرين هما تواتر الاهتزاز Frequency وسعته Amplitude مطاله أو شدته Intensity.

إن ذروة الشوكة رنانة - وبالتالي أي جزيئة من جزيئات الوسط المجاور لها -تعاني حركة بسيطة منسجمة في الاتجاه الرئيسي لانتشار الموجة بحيث يمكن تمثيل مواضع هذه الجزيئة في حركتها بالنسبة للزمن بموجة جيبية. أما إذا كانت حركة مصدر الاهتزاز حركة غير بسيطة ولا منسجمة نحو الأمام والخلف، فإن شكل الموجة يكون معقدا وهذه هي صفة أكثر المنبهات الصوتية الطبيعية.

هذا ويمكن رياضيا تحليل الموجة المعقدة إلى موجتين أو أكثر من الموجات الجيبية التي يمكن حينئذ تحديدها بالعنصرين السابقين، أي التواتر والشدة.

شدة الموجة الصوتية :

هي كمية الطاقة التي تؤثر في سنتيمتر مربع واحد من الوسط أثناء مرور الموجة الصوتية، حيث أن وحدة الديسيبل هي الواحدة المستعملة للتعبير عن كمية طاقة الموجة. ونظرا للشدات الصوتية المتغيرة بشكل كبير والتي تستقبلها الأذن وتميزها، فإن هذه الشدات يعبر عنها بمصطلحات لوغاريتمية لقيمها الحقيقية.

عندما نقول أن شدة صوت ما هي كذا ديسبلات فهذا يعني أن هذا الرقم هو عشرة أضعاف لوغاريتم نسبة طاقة هذا الصوت إلى طاقة أخرى متفق عليها.

الطاقة = (الضغط)2

ديسبل = 10 X (الضغط)2

ديسبل = 10 X الطاقة

مثال على ذلك: إن الفرق بين أقل شدة وأقوى شدة تتحملها أذن الإنسان هي (120) ديسبل. وهذه الكمية هي نسبة طاقة صوت الرعد القوي إلى طاقة صوت في العتبة الدنيا للسمع، ويمثل الديسبل الواحد زيادة حقيقية في قدرة الصوت تعادل 1، 26 مرة.

ولما كان الديسبل مقياس نسب، فلا بد من اعتماد معيار أو مستند للمقارنة به والنسبة إليه. فيمكن الاعتماد مثلا على العتبة الدنيا للسمع، ولكن هذا المعيار يختلف من شخص لآخر ويختلف كثيرا باختلاف تواترات الصوت.

لذلك وتلافيا لهذه الاعتبارات، اتفق المعنيون بهذا الأمر على اعتماد معيار اتفاقي هو الميكرو واط. ولما كان الواط هو مقياس لمعدل تدفق الطاقة لكل سنتيمتر مربع فالميكرو واط يقارب العتبة الدنيا للسمع السماح بسماع صوت تواتره (1000) ذبذبة في الثانية.

سرعة الصوت:

تختلف سرعة الصوت حسب نوع الوسط الذي تنتشر فيه الموجات الصوتية ودرجة الحرارة فتكون أعلى في المواد الصلبة وأقل في السوائل وأقل بكثير في الغازات. وبالنسبة لانتشار الصوت في الهواء فيعتمد على الضغط، أي أن سرعة الصوت تقل بالارتفاع عن سطح الأرض.

وسرعة الموجات الصوتية في الموائع تعطى بالمعادلة

{\displaystyle v={\sqrt {\frac {E}{d}}}}  

وسرعة الصوت في الهواء عند درجة الصفر المئوي هي 331.1 م/ث وتزداد هذه السرعة بارتفاع درجة الحرارة. تقدر سرعة الصوت في الماء بـ 1450 م/ث عند الدرجة القياسية (15 درجة مئوية). وتتراوح هذه السرعة في المواد الصلبة بين 3000 و6000 متر/ثانية فهي مثلًا 5100 م/ث للحديد والألومنيوم و 3560 م/ث للنحاس وتبلغ 5200 متر في الثانية في الزجاج.

Answer 1

التعريف الفيزيائي؟
من وجهة نظر الفيزياء فالصوت هو موجة. وتنتشر الموجة في السوائل والغازات كموجة طولية وهي كذلك أيضًا في الهواء؛ أي ينتشر الصوت مثلًا في الهواء بطريقة يتردد فيها ضغط الهواء بطريقة دورية بمعنى منطقة هواء مضغوط يتلوه منطقة هواء مخلخل ويتلوه منطقة هواء مضغوط وهكذا. فيكون تغير الموجة في نفس اتجاه انتشار الصوت. أما في المواد الصلبة فينتشر الصوت في موجات عرضية (أي تكون موجاته عمودية على اتجاه انتشار الصوت). وتحرك موجات الصوت جزيئات الوسط (غالبًا الهواء) حول حالة وسطية بين الزيادة والنقصان (منطقة هواء مضغوط تتبعه منطقة هواء مخلخل تتبعه منطقة هواء مضغوط وتتبعه منطقة هواء مخلخل، وهكذا) وتنتشر في الهواء بسرعة خاصة، ويرمز لسرعة الصوت c. ولكي تنتقل موجات الصوت فهي تحتاج إلى وسط تنتشر فيه، مثل الهواء أو الماء أو السوائل أو في وسط مادة صلبة، مثل قضيب من النحاس أو حديد، كذلك نسمع الصوت عبر الحائط؛ ولا ينتشر الصوت في الفراغ.

وتعتمد سرعة الصوت على الوسط الذي ينقلها. وتبلغ سرعة الصوت في الهواء 343 متر في الثانية عند درجة حرارة 20 درجة مئوية و 1407 متر /ثانية في الماء عند درجة الصفر المئوي.

يمكن حساب طول الموجة الصوتية {\displaystyle \lambda } {\displaystyle \lambda } من تردد الموجة f وسرعة الصوت c بواسطة المعادلة:

{\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}} {\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}}
وفي العادة تكون اختلافات في الضغط أو في الكثافة سببًا في تغير سرعتها. ويتضح هذا عندما نتصور مستوى لضغط الصوت يقدر ب 130 dBديسيبل. وهذا يبلغ درجة تألم أذن الإنسان، ويمثل به الضغط الجوي العادي: يبلغ الضغط الجوي للهواء الساكن 101.325 باسكال، في حين أن مستوى ضغط صوت قدره 130 dB له قيمة فعلية لضغط الصوت p تبلغ 63 باسكال فقط.

مستوى ضغط الصوت؟

ضغط الصوت هو الفرق -بالنسبة إلى وسط معين- بين متوسط الضغط الموضعي والضغط في موجة الصوت. يؤخذ متوسط مربع هذا الفرق (مطال)، ثم يحسب منه الجذر التربيعي فينتج جذر متوسط التربيعات.

وعلى سبيل المثال، 1 باسكال متوسط جذر التربيع لضغط الصوت (94 ديسيبل) في الجو معناه أن الضغط الفعلي في موجة الصوت تهتز بين (1 ضغط جوي {\displaystyle -{\sqrt {2}}} {\displaystyle -{\sqrt {2}}} باسكال) و(1 ضغط جوي {\displaystyle +{\sqrt {2}}} {\displaystyle +{\sqrt {2}}} باسكال)، أي بين 101323.6 و 101326.4 باسكال. مثل هذا الفرق الطفيف في الضغط الجوي عند تردد صوتي يؤثر على الأذن كصوت ضوضائي يصم وقد يتسبب في إفساد السمع كما يرى من الجدول أدناه.

وتستطيع الأذن البشرية سماع الصوت في نطاق واسع من المطالات، وغالبًا ما يقاس ضغط الصوت بواسطة مستوى لوغاريتمي للقياس ديسيبل. ويعرف مستوى ضغط الصوت ورمزه Lp بالمعادلة:

{\displaystyle L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {{p}^{2}}{{p_{\mathrm {ref} }}^{2}}}\right)=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{\mathrm {ref} }}}\right){\mbox{ dB}}} {\displaystyle L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {{p}^{2}}{{p_{\mathrm {ref} }}^{2}}}\right)=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{\mathrm {ref} }}}\right){\mbox{ dB}}}
حيث:

p جذر متوسط التربيعات لضغط الصوت،
و {\displaystyle p_{\mathrm {ref} }} {\displaystyle p_{\mathrm {ref} }} ضغط الصوت العياري.
وتعرف ضغوط الصوت العيارية عادة طبقًا للنظام العياري الوطني الأمريكي ANSI S1.1-1994 من 20 ميكرو باسكال في الهواء و1 ميكرو باسكال µPa في الماء. وبدون ذكر النظام العياري لضغط الصوت فلا تعبر قيمة بالديسيبل عن مستوى ضغط الصوت.

ونظرًا لأن الأذن البشرية ليس لها استشعار مستوى لترددات الصوت فإن ضغط الصوت عادة ما يوازن بالتردد بحيث يطابق المستوى المقاس عمليًا مستوى السمع بالتقريب.

وقامت المفوضية الدولية للتكنولوجيا الكهربائية بتعريف عدة نظم للموازنة. منها الموازنة A-weighting وهي تحاول تمثيل استجابة الأذن البشرية للشوشرة، والموازنة من النوع A توازن مستويات ضغط الصوت يرمز لها دي بي إيه db A. وتستخدم موازنة نوع C لقياس مستويات قممية عالية.