الأهداف

الأهداف

• تصف كيف تتسول لموجات الصوت.
• تفسر كيفية انتقال موجات الصوت عبر المواد.
• تصف العلاقة بين علو الصوت وشدته.

الأهمية

معرفتك بعلم الصوت تساعد على حماية حاسة السمع لديك.

مراجعة المفردات

موجة صوتيه: سلسلة التضاغطات والتخلخلات المنتقلة خلال مادة ما.

المفردات الجديدة

• شدة الصوت
• حدة الصوت
• تكرار الصدى

تكون موجات الصوت

كيف تنتج الموجات الصوتية الصادرة عن ضرب غشاء مرن؟ عندما تضرب الغشاء المرن يهتز، وهذه الاهتزازات تنقل الطاقة إلى دقائق الهواء الملامسة للغشاء، محدثة موجة صوتية في الهواء. وتستطيع سماع الصوت الناتج عن الغشاء المرن المهتز؛ لأن الطاقة قد انتقلت على شكل موجات صوتية من الغشاء إلى أذنيك.

وكل صوت تسمعه يكون ناتجًا عن جسم مهتز؛ فعلى سبيل المثال تهتز أوتار خاصة داخل حنجرتك عندما تتكلم، مصدرة موجات صوتية.

موجات الصوت طولية، الموجات الصوتية موجات طولية تنتج عن اهتزاز الأجسام. ويبين الشكل 10 كيف تنتج الموجات الصوتية الصادرة عن الغشاء المهتز، حيث ينتقل الاهتزاز إلى دقائق الهواء المجاورة، فتهتز الدقائق بالتردد نفسه. فعندما يتحرك الغشاء إلى الخارج يضغط دقائق الهواء المجاورة له محدثًا تضاغطًا، وعندما يعود مبتعدًا إلى الداخل تتكون منطقة تخلخل في جزيئات الهواء، وينتقل هذا التضاغط والتخلخل عبر الهواء محدثًا موجات الصوت الطولية.

موجات الصوت لا تنتقل إلا عبر الأوساط المادية؛ لأن الطاقة المنتقلة بواسطة موجات الصوت تتناقلها تصادمات دقائق الوسط الناقل. لهذه الموجات، فعلى سبيل المثال، لا يصدر أي صوت خارج جسم مركبة الفضاء عندما تكون خارج الغلاف الجوي.

الشكل 10

اهتزاز غشاء مرن ينتج موجات صوتية، حيث يولد الغشاء تضاغطًا كلما اهتز نحو الخارج، وتخلخلًا كلما اهتز نحو الداخل.

سرعة الصوت

تعتمد سرعة موجات الصوت على نوع الوسط الذي تنتقل خلاله، شأنها شأن باقي الموجات، وتكون سرعة الصوت في المواد الصلبة أكبر منها في السائلة وأكبر منها في الغازات. ويبين الجدول 1 سرعة الصوت في مواد مختلفة.

وكذلك تزداد سرعة الصوت في المادة بزيادة درجة حرارتها، ويكون أثر تغير درجة الحرارة كبيرًا في حالة الغازات، فمثلًا تزداد سرعة الصوت في الهواء من 331 م/ث عند درجة صفر مئوية إلى 349 م/ث عند 30°س.

ماذا قرأت؟

كيف تؤثر درجة الحرارة في سرعة الصوت في المادة؟

جدول 1: سرعة الصوت في مواد مختلفة

| المادة | السرعة م/ث |
| ------------ | ---------- |
| هواء 20°س | 343 |
| زجاج | 5640 |
| فولاذ | 5940 |
| ماء 25°س | 1493 |
| ماء بحر 25°س | 1533 |
| مطاط | 1600 |
| ماس | 12000 |
| حديد | 5130 |

علو الصوت

ما الذي يجعل الصوت عاليًا أو خافتًا؟ الشخص في الشكل 11 يمكنه إصدار صوت عالٍ مثل هز الجرس بقوة، ويمكنه إصدار صوت خافت عند هز الجرس برفق. ويكون الفرق بين الحالتين في مقدار الطاقة التي أعطاها الشخص للجرس؛ فالصوت العالي يحمل طاقة أكبر مما يحمله الصوت الخافت.

الشدة: كمية الطاقة الصوتية التي تحملها الموجة التي تعبر مساحة محددة خلال ثانية واحدة تسمى شدة الصوت Intensity.

ويوضح الشكل 12 كيف تتناقص شدة الصوت كلما ابتعدنا عن مصدر الصوت. فالشخص القريب من مصدر الصوت يسمعه بشدة عالية، بينما يكون الصوت أقل شدة لدى شخص آخر يقف بعيدًا عن مصدر الصوت. وترتبط شدة موجات الصوت مع سعتها؛ فالصوت الذي سعته كبيرة يكون عالي الشدة.

الشكل 11

يعتمد علو الصوت على كمية الطاقة التي تحملها موجات الصوت.

الشكل 12

تتناقص شدة موجات الصوت كلما انتشر الصوت مبتعدًا عن مصدره، حيث تتوزع الطاقة التي تحملها موجات الصوت على مساحة أكبر.

مستوى الصوت وعلو الصوت

يتم التمييز بين شدة الأصوات المختلفة من خلال مستوى شدتها، والذي يقاس بوحدة ديسيبل dB، كما هو موضح في الشكل 13.

إن أخفض صوت يمكن للإنسان سماعه يكون بمستوى شدة صفر ديسيبل، في حين تكون المحادثة العادية بين شخصين بمستوى شدة 50 ديسيبل، والأصوات التي يكون مستوى شدتها 120 ديسيبل أو أكثر تكون مؤلمة للإنسان.

وعلو الصوت هو ما يدركه الإنسان من خلال إحساسه بشدة الموجات الصوتية، فعندما تزداد مستوى شدة الصوت بمقدار 10 ديسيبل، فإن الطاقة التي تحملها موجات الصوت تتضاعف عشر مرات. إلا أن معظم الناس يدركون ذلك على أنه مضاعفة علو الصوت مرتين فقط، وإذا ازداد مستوى شدة الصوت إلى 20 ديسيبل مثلًا، فإن الطاقة التي تحملها موجات الصوت تتضاعف 100 مرة، أما علو الصوت فيزيد 4 مرات.

الشكل 13

يبين مقياس الديسيبل مستويات الصوت لبعض الأصوات المألوفة.

أمثلة من مقياس الديسيبل في الشكل

• حس: 10 dB
• صوت قطة: 20 dB
• أصوات منزلية: 40 dB
• مكتب هادئ: 75 dB
• مطعم مزدحم: 80 dB
• جزازة العشب: 100 dB
• صوت المنشار: 110 dB
• بداية الألم: 120 dB
• إقلاع طائرة: 150 dB

ماذا قرأت؟

كم مرة تتضاعف طاقة الصوت إذا زاد مستوى شدته بمقدار 30 ديسيبل؟

الربط مع الصحة: تلف السمع

التعرض الدائم إلى أصوات تتجاوز شدتها 85 ديسيبل قد يسبب تلف السمع.

ابحث في أضرار الأصوات العالية التي تعرض أسماعنا في حاسباتك، ومنها صوت الدراجة النارية، والضوضاء في ملاعب الكرة.

التردد وحدة الصوت

يتحدد تردد الصوت من خلال تردد المصدر المهتز المولد لموجات الصوت. تذكر أن تردد الموجة يقاس بوحدة هرتز، وهي عدد الاهتزازات التي يهتزها الجسم في الثانية الواحدة.

فتردد الموجات الصوتية الصادرة عن طائرة نفاثة لحظة الإقلاع يصل إلى حوالي 4000 هرتز، بينما يصل تردد الموجات الصوتية الصادرة عن بعض الطيور إلى حوالي 20000 هرتز.

ويستطيع الإنسان عادة سماع الأصوات التي يتراوح ترددها بين 20 هرتز و20000 هرتز.

حدة الصوت Pitch خاصية للصوت تعتمد على تردد موجاته الواصلة إلى الأذن، وهي تميز الأصوات الرفيعة الحادة من الأصوات الغليظة.

فصوت الصفارة ذو حدة عالية، والأصوات ذات الحدة المرتفعة تردداتها عالية، بينما الأصوات ذات الحدة المنخفضة تردداتها منخفضة.

انعكاس الصوت

هل وقفت يومًا في غرفة فارغة من الأثاث وقد سمعت صدى صوتك وأنت تنادي بصوت مرتفع؟ درست سابقًا مفهوم الصدى وهو سماع الصوت بعد انعكاسه عن السطوح العاكسة.

ولتجنب حدوث الصدى في القاعات الكبيرة والمسارح، فإنها تصمم، كما هو موضح بالشكل 14، بحيث تغطى جدرانها الداخلية وأسقفها بمواد لينة تعمل على امتصاص طاقة موجات الصوت، بدلًا من انعكاسها.

يستفاد من ظاهرة الصدى في تحديد مواقع الأجسام التي تعترض مسار الأمواج الصوتية؛ إذ تعتمد بعض المخلوقات، ومنها الخفاش والدلفين وغيرهما، على هذه الظاهرة في حركتها، فترسل موجات صوتية قصيرة عالية التردد في اتجاه مساحة محددة، ثم تستقبل الموجات المنعكسة وتفسرها لتحديد طبيعة الأجسام، ومواقع الحيوانات الأخرى، وتعرف خصائصها.

كذلك يستخدم الأطباء انعكاس الموجات فوق السمعية ليرسموا بالحاسوب صورة لأعضاء الجسم، فيعتمد عليها في تشخيص حالة المريض، ويستخدم كذلك لفحص الأجنة.

وهناك حالات يتكرر فيها سماع الصدى أو ما يعرف بتكرار الصدى Reverberation، وذلك عند إصدار صوت في مكان مغلق أو شبه مغلق. ويستفاد من ذلك في القاعات الكبيرة في التغلب على التناقص المستمر في شدة الموجات الصوتية؛ نتيجة انتشارها على مساحة أوسع وابتعادها عن مصدرها.

ويتم ذلك بتجميع الأصوات المنعكسة عن جدران وسقف القاعة، كما في الشكل 15، وذلك بحسابات دقيقة؛ لمراعاة وضوح الصوت وعدم حدوث تشويش.

الشكل 14

قاعة حديثة مجهزة بمواد قادرة على امتصاص طاقة الموجات الصوتية، للتحكم في صدى الصوت وانعكاساته المختلفة.

الشكل 15

رسم تخطيطي يوضح كيفية الاستفادة من تكرار الصدى.

مراجعة الدرس 2

الخلاصة

تكون موجات الصوت

• موجات الصوت موجات طولية تتولد عند اهتزاز الأجسام.
• تعتمد سرعة موجات الصوت في المادة التي تنتقل خلالها على طبيعة المادة ودرجة حرارتها.

علو الصوت

• شدة الصوت هي مقدار الطاقة التي تنقلها الموجة خلال وحدة المساحة في الثانية الواحدة.
• تقاس شدة الصوت بوحدة ديسيبل.
• علو الصوت هو إدراك الإنسان لشدة الصوت.
• حدة الصوت هي إدراك الإنسان لتردد الصوت.

سماع الأصوات

• تنتج جميع الأصوات عندما تصل الموجات الصوتية إلى أذنك، فتهتز غشاء الطبلة وبقية الأجزاء في الأذن.

اختبر نفسك

• وضح لماذا تسمع صوتًا عندما تصفق؟
• توقع متى تكون سرعة الصوت في الهواء أكبر: صيفًا أم شتاءً؟
• قارن بين الأمواج الصوتية لشخصين أحدهما يصيح والآخر يهمس.
• صف كيف تنشأ الاهتزازات في أذنك عند وصول الصوت إليها؟ وكيف تسمع؟
• التفكير الناقد: تنشأ الأصوات عن الاهتزازات، لماذا لا تسمع صوتًا عندما تحرك يدك إلى الأمام وإلى الخلف في الهواء؟

تطبيق الرياضيات

• حساب النسبة: صوتان الأول شدته 50 ديسيبل، والثاني شدته 20 ديسيبل، كم مرة يساوي علو الصوت الأول علو صوت الثاني؟
• حساب الزيادة في الشدة: إذا تضاعفت الطاقة التي تحملها موجات صوت ما ألف مرة، فكم مرة تتضاعف شدته؟ وضح إجابتك.