الصوت

الصوت هو سلسلة الاهتزازات التي تنتقل عبر الغازات والسوائل وحتى المواد الصلبة. والوسط الوحيد الذي لا تنتقل فيه موجات الصوت هو الفراغ . وما يحدث فعلاً أن اهتزاز المادة يجعل الجزيئات تهتز وبالتالي ينشأ الصوت الذي تجمعه أذننا وتعمل على تفسيره .
ويمكن تعريف الصوت على أنه :
" سلسلة من التضاغطات والتخلخلات تنتقل في الأوساط المادية التي تصل الأذن وتتحسس بها".

كي يتولد الصوت لا بد من وجود مصدر مهتز يولد الاهتزازات ووسط مادي ينقل هذا الاهتزاز, فالجرس المهتز في الشكل

يبذل شغلاً على جسيمات الهواء المجاورة له والواقعة باتجاه حركته فيكسبها طاقة مولداً فيها تضاغطاً, وعندما يعكس الجرس اتجاه حركته يتمدد الهواء ليشغل الفراغ الذي تركه الجرس عند عودته مولداً تخلخلاً ونتيجة لاستمرار حركة الجسم الاهتزازية في الهواء يستمر تعاقب سلسلة من التضاغطات والتخلخلات ناقلة الطاقة الصوتية معها في ذلك الوسط حتى تصل الأذن فيُسمع الصوت.

من أهم خصائص الصوت :
الطول الموجي – الزمن الدوري – التردد – وكل هذه المصطلحات يمكنك الاطلاع عليها ضمن الخصائص العامة للموجات والتي سبق مناقشتها .
راجع درس العين والضوء ( أنواع الموجات ).
أما الخصائص الإضافية الخاصة بموجات الصوت :
1- شدة الصوت :
تعرّف شدة الصوت عند نقطة معينة بأنها: المعدل الزمني لمقدار الطاقة الصوتية لوحدة المساحة العمودية من جبهة الموجة التي مركزها تلك النقطة"
وتعتمد شدة الصوت في نقطة لوسط على العوامل التالية :
أ- بعد النقطة عن المصدر :
تتناسب شدة الصوت في نقطة معينة تناسباً عكسياً مع مربع بعد النقطة عن مصدر الصوت. إذ إن انتشار الموجات يكون بشكل جبهات كروية مركزها مصدر الصوت. وبما أن مساحة السطح الكروي تتناسب طردياً مع مربع نصف قطره وأن قدرة الموجة الصوتية ثابتة المقدار وتتوزع بالتساوي على مساحة السطح الكروي لذا فإن قدرة الموجة تتوزع على مساحة أكبر كلما ابتعدت جبهة الموجة عن مصدر الصوت.

ب- سعة اهتزاز المصدر وتردده :
تتناسب شدة الصوت طردياً مع مربع سعة اهتزاز مصدر الصوت وكذلك تتناسب طردياً مع مربع تردد المصدر.
ج- المساحة السطحية للسطح المهتز :
تزداد شدة الصوت بازدياد المساحة السطحية للجسم المهتز. نتيجة ازدياد كتلة الهواء المهتز.
د- كثافة وسط الانتشار :
تزداد شدة الصوت كلما ازدادت كثافة الوسط لأن مقدار الطاقة المنتقلة من المصدر إلى الوسط تزداد عند كل تذبذب.

2- علو الصوت :
وهو إحساس يشعر به السامع ويتوقف على :
1- شدة الصوت المسموع
2- تردد الموجة الصوتية إذ تقل حساسية الأذن البشرية للموجات قليلة التردد ( أقل من1000 هرتز) وللموجات عالية التردد ( أكبر من 10000 هرتز) ولا يسمع الصوت إذا صار تردده (أقل من 20 هرتز) أو ( أكبر من 20000 هرتز).
ويزداد علو الصوت بازدياد شدة الصوت عند ثبوت التردد إلا أن العلاقة بين الشدة والعلو ليست علاقة طردية وإنما هي علاقة لوغاريتمية كما أن الأذن البشرية لا تتحسس بالتساوي الأصوات ذات الترددات المختلفة حتى إن تساوت شدتها. وتتحسس الأذن البشرية شدة صوت تقارب
( 10 -12 ) واط / م2 عندما يكون تردد الصوت (1000هرتز) ولغاية (1واط / م2) وقد اتخذت الشدة ( 10 -12 ) واط / م2 كبداية للسمع وسميت بعتبة السمع ( شع ) وقد وضع مقياس لوغاريتمي لحساب مستوى الشدة ( مش ) لصوت ما شدته ( ش ) واط / م2 هو :

حيث ( شع ) هي عتبة السمع ومقدارها ( 10 -12 ) واط / م2
أما وحدة مستوى الشدة ( مش ) فهو ( البيل ) وهذه الوحدة من الناحية العملية كبيرة لذا استعملت وحدة ( الديسي بيل ) ويرمز لها ( db ) وتساوي

إن مستوى شدة الصوت عند عتبة السمع ( شع ) يساوي صفراً لأن :

وبما أن أعظم شدة تستطيع الأذن سماعها هي( واط / م2 ) فإن أعلى مستوى شدة يكون :

= 120 لو10 10 = 120 ديسي بيل

ويمكن تعريف مستوى الشدة ( مش ):
" العلاقة بين الإحساس بعلو الصوت وشدته عند تردد معين " والجدول الآتي يبين مستويات الشدة لمصادر صوتية مختلفة.
مستوى شدة الصوت
( ديسي بيل) نوع الصوت مستوى شدة الصوت
( ديسي بيل) نوع الصوت
80 ساعة توقيت أو صوت المذياع صفر عتبة السمع
90 قطار يسير في محطة 10 حفيف الأوراق
100 ثاقبة أحجار تعمل بالهواء المضغوط 20 غرفة هادئة (معدل الهمس)
100 - 110 الرعد 30 مكتبة عامة
115 - 120 تحليق الطائرات 40 غرفة معتدلة الهدوء
130 المدفع الرشاش 50 غرفة طعام
140 عتبة الألم 60 تخاطب اعتيادي
160 تلف طبلة الأذن 70 المرور في شارع عام
180 محرك صاروخي
3- درجة الصوت :
هي خاصية الصوت التي تعتمد على تردد الموجات الواصلة للأذن وهي تميز الأصوات الرفيعة (الحادة) من الأصوات الغليظة وتكون الأصوات الرفيعة أعلى تردداً من الأصوات الغليظة وصوت المرأة مثلاً أعلى درجة من صوت الرجل وذلك لأن تردد صوت المرأة أكبر من تردد صوت الرجل. ودرجة الصوت لا تعتمد على علوه بل على تردده كما يوضح النشاط التالي:

نشاط :
الأدوات المستخدمة :

- قرص معدني يحتوي ثقوب بحيث تكون الثقوب على شكل دوائر متحدة المركز ( 24 ، 30 ، 36 ، 48 ) عدد الثقوب من الداخل إلى الخارج. والبعد بين ثقوب الدائرة الواحدة متساوية .
- مصدر لتيار هوائي ينتهي بأنبوب رفيع.
خطوات إجراء التجربة :

1- اجعل القرص يدور بسرعة زاوية ثابتة.
2- في أثناء دوران القرص وجه أنبوب الهواء على إحدى هذه الدوائر.
3- اجعل سرعة دوران القرص أكبر ووجه أنبوب الهواء على نفس الدائرة السابقة. قارن بين هذا الصوت والصوت السابق من حيث الدرجة.
4-الآن لنفس سرعة الدوران وجه الهواء إلى دائرة أكثر ثقوباً وقارن بين هذا الصوت والصوت الذي حصلت عليه في الخطوة السابقة من حيث الشدة



- نوع الصوت :

" خاصية الصوت التي تتوقف على نوع مادة المصدر وطريقة توليد الصوت فتمكننا من التمييز بين صوتين متساويين بالعلو والدرجة ولكنهما صادران من مصدرين مختلفين" تعرف بأنها نوع الصوت.

تعتمد سرعة موجات الصوت على الوسط الناقل لها, وتكون سرعتها في الغازات أقل ما يمكن, ثم تزداد في السوائل, وتكون أسرع ما يمكن في الأجسام الصلبة. كذلك تعتمد سرعة الصوت على درجة حرارة الوسط.
سرعة الصوت في الغازات :
تتوقف سرعة الصوت على نوع الغاز ودرجة حرارته. وتزداد سرعة الصوت بمقدار ( 0.61 م / ث ) كلما ارتفعت درجة الحرارة درجة سليزية واحدة. ولحساب سرعة الصوت ( س ) في درجة حرارة ( دْ ) سيليزية تستعمل العلاقة التالية :
سد = 331.5 + 0.61 × د ْه
وتزداد سرعة الصوت في الهواء بزيادة الرطوبة في الجو لأن كثافة الهواء الرطب أقل من كثافة الهواء الجاف.
سرعة الصوت في السوائل :
نتشر موجات الصوت بسرعات أكبر في السوائل وذلك بسبب تقارب الجزيئات. فعلى سبيل المثال تنتقل موجات الصوت بسرعة 1482 م/ث في الماء العذب وهذه السرعة أربعة أضعاف سرعة الصوت في الهواء. وتعتمد كثير من الحيوانات البحرية على موجات الصوت للاتصال فيما بينها حيث إن موجات الصوت تتحرك بسرعة أكبر في الماء.
سرعة الصوت في الأجسام الصلبة :
تكون سرعة موجات الصوت أكبر في الأجسام الصلبة وذلك بسبب أن الجزيئات في المواد الصلبة تكون متقاربة أكثر فأكثر. فعلى سبيل المثال تكون سرعة موجات الصوت في الفولاذ 17 ضعف لسرعة نفس الموجات في الهواء. والجدول التالي يوضح سرعة الصوت في بعض المواد .
سرعة إنتقال الصوت في الغازات
الغاز درجة الحرارة ( سْ ) السرعة ( م / ث )
هيليوم 0 570
آرغون 0 307
كريبتون 0 212
هيدروجين 0 1260
أوكسجين 0 315
نيتروجين 0 337
الهواء الجاف 0 331
بخار الماء 134 494
ثاني أكسيد الكربون 0 259
سرعة انتقال الصوت في المواد السائلة
المواد السائلة السرعة ( م / ث )
الماء العذب 1488
ماء البحر 1531
الزئبق 1450
غليسرين 1704
التربنتن 1250
الكحول الايثيلي 1207
الايثر 985
سرعة انتقال الصوت في المواد الصلبة
المواد الصلبة السرعة ( م / ث )
الحديد 5200
الفولاذ 5200
الألمنيوم 5000
الرصاص 1200
النحاس 3700
النيكل 4900
كوارتز 5450


إذا كان كل من مصدر الصوت والسامع والوسط ثابتاً بالنسبة لبعضهما , فإن السامع يسمع صوتاً تردده مساوياً لتردد المصدر, أما لو تحرك أي منهم بالنسبة لبعضهما البعض , فإن التردد المسموع سيختلف عن تردد المصدر وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة دوبلر.
وتبحث ظاهرة دوبلر في تغير تردد الموجة المسموعة التي يصدرها مصدر في حالة وجود حركة نسبية بين المصدر والسامع.
والآن افرض أن الوسط كان ساكناً, وأن المصدر والسامع في حالة اقتراب من بعضهما, تزداد درجة الصوت عن تردد المصدر بينما في حالة ابتعادهما عن بعضهما تقل درجة الصوت عن تردد المصدر ، فعلى سبيل المثال :
تزداد درجة صوت الصافرة باقتراب القطار من السامع وتقل بابتعاده عنه. والآن افرض أن مصدر الصوت ( م ) قد تحرك بسرعة منتظمة مقدارها ( سم ) نحو سامع ( ع ) ساكن, وكان تردد المصدر ( د ) فإن :
( د ) من الموجات خلال زمن ( ن ) سوف تحتشد في إزاحة قدرها ](س – سم) ×ن[ في الوسط الناقل لها, وإذا فرضنا أن :
س : سرعة الصوت في الوسط
لَ : طول موجة الصوت المسموع
دَ : تردد الصوت المسموع

أما في حالة ابتعاد المصدر عن السامع بالسرعة ( سم ) فإن اتجاه سرعة المصدر ستكون بعكس اتجاه سرعة الصوت نحو السامع لذلك.
نعوض سرعة المصدر عندئذ بإشارة سالبة ( - سم ) أي أن :

وبصورة عامة إذا كان المصدر يتحرك بسرعة ( سم ) والسامع يتحرك بسرعة ( سع ) وسرعتاهما على استقامة واحدة فإن :

وتعوض إشارة كل سرعة بالاتجاه من المصدر نحو السامع موجبة , وسالبة إذا كانت بالاتجاه المعاكس والساكن منهما بالصفر .