الفيزياء

نبذة تعريفية عامة حول “ظاهرة الصوت”

2001 موسوعة الكويت العلمية الجزء الثاني عشر

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

ظاهرة الصوت الفيزياء

الصَّوْتُ ظَاهِرَةٌ طَبيعِيَّةٌ لَمْ يُعَرَفْ عَنْها شَيءٌ ذُو قِيمَةٍ عِلْمِيَّةٍ في الحَضاراتِ القَديمَةِ، اللَّهُمَّ إلاَّ فيما يَتَعَلَّق بِبَعْضِ أَنْواعِ الغِناءِ والعَزْفِ (المُوسِيقَى). ويُنْسَبُ إلَى عُلَماءِ الحَضارَةِ العَرَبِيَّةِ الإسْلامِيَّةِ فَضْلُ السَّبْقِ إلَى تَناوُلِها بالبَحْثِ والتَّحْليلِ.

وقَدْ تَوَصَّلَ هَؤلاءِ العُلَماءُ إلَى أَنَّ هناكَ شَيْئَيْن لازِمَيْن لانْبِعاثِ الصَّوْتِ وانْتِشارِه: أمَّا الشّـَيءُ الأَوَّلُ فلابُدَّ مِنْ وُجُودِ جِسْمٍ يَهْتَزُّ لإحْداثِ مَوْجاتِ الصَّوْتِ التَّضاغُطِيَّةِ، عَلَى نَحْوِ ما نَجِدُ في وَتَرِ العُودِ، أو في الحَبْلَيْن الصَّوْتِيَّيْن عِنْدَ الإِنْسانِ.

وأمَّا الشَّيءُ الثَّاني فَلابُدَّ مِنْ وُجودِ وَسَطٍ مَادِّيٍّ، كالهَواءِ أو الماءِ، تَنْتَقِلُ خِلالَهُ هَذِه المَوْجاتُ الصَّوْتِيَّةُ إلَى أَنْ تَصِلَ إلَى الأُذُنِ ويَحْدُثَ الإحْساسُ بالسَّمْعِ.

 

فَوَتَرُ العُودِ – مثلاً – لا نَسْمَعُ لهُ صَوْتًا إذَا اهْتَزَّ في الفَرَاغِ؛ لأنَّ التَّمَوُّجاتِ الصَّوْتِيَّةَ لا تَجِدُ الوَسَطَ المادِّيَّ الّذي تَنْتَقِلُ خِلالَهُ إلَى طَبْلَةِ الأُذُنِ.

والتَّجْرِبَةُ العَمَلِيَّةُ البَسيطَةُ الّتي يُجْرِيها طُلاَّبُ المَدارِسِ في المُخْتَبَرِ للتَّأَكُّدِ مِنْ صِحَّةِ هَذِهِ الحقيقَةِ العِلْمِيَّةِ تَتِمُّ بِتَفْريغِ الهَواءِ من داخِلِ ناقوسٍ زُجاجِيٍّ مَوْضوعٍ فَوْقَ «مُنبِّهٍ» به جَرَسٌ يَدُقُّ، ثُمَّ السَّماحِ بدُخولِ الهواءِ تَدْريجيًّا تَحْتَ النَّاقوسِ مَرَّةً أُخْرَى.

فَيُلاحَظُ أَنَّ صَوْتَ دَقَّاتِ الجَرَسِ يَخْفُتُ رُوَيْدًا في أَثْناءِ تَفْريغِ النَّاقوسِ من الهَواءِ، ثُمَّ يَشْتَدُّ الصَّوْتُ عِنْدَما يَدْخُل الهَواءُ في النَّاقوسِ.

 

ونَحْنُ نَعْلَمُ اليَوْمَ أنَّ القَمَرَ لَيْسَ لَهُ غِلافٌ هَوائِيٌّ مثل الأَرْضِ، ولِهذا فإنَّ رُوَّادَ الفَضَاءِ عَلَى سَطْحِه يَتَبادَلُونَ الحَديثَ بِواسِطَةِ الرَّادْيو (اللاَّسِلْكِيِّ)، حَيْثُ يُمْكِنُ لِلْضُّوءِ ومَوْجاتِ الرَّادْيو الكَهْرومِغْناطِيسِيَّةِ، ولَيْسَ لموجاتِ الصَّوْتِ، أَنْ تَنْتَقِلَ خِلالَ الفَراغِ.

ويَعْتَمِدُ سَماعُ الصَّوْتِ عَلَى عَدَدِ الذَّبْذَباتِ (أو الاهْتِزَازَاتِ) الّتي يُحْدِثُها مَصْدَرُ الصَّوْتِ في الثَّانِيَةِ الوَاحِدَةِ، ويُسَمَّى «التَّرَدُّدَ».

وتُسْتَخْدَمُ وَحْدَةُ «الهِرْتزْ» لِقِياسِ التَّرَدُّدِ تَخليدًا لِذِكْرَى العالِمِ الفِيزْيَائِيِّ «هِرْتِزْ» (1857 – 1894م) الّذي اشْتَهَرَ بأبْحاثِهِ في دِراسَةِ الأَمْواجِ الكَهْرومِغْناطِيسِيَّةِ.

 

وعَادَةً ما تُسْتَخْدَمُ وَحَدَاتٌ أَكْبَرُ لِقِياِس التَّرَدُّدِ؛ مِنْ بَيْنِها: الكِيلوهِرْتِزْ = 1000 هِرْتِزْ، والمِيجاهِرْتزْ = مِليون هِرْتزْ.

ويُمْكِنُ لِلأُذُنِ البَشَرِيَّةِ أَنْ تَسْمَعَ الصَّوْتَ إذا كانَ تَرَدُّدُهُ بَيْنَ 20 و  000 20 هِرْتِزْ.

أمَّا الأَصْواتُ «تَحْتَ السَّمْعِيَّة» الّتي يَقِلُّ تَرَدُّدُها عَنْ 20 هِرْتِزْ، والأَصْواتُ «فَوْقَ السَّمْعِيَّة» الّتي يَزيدُ تَرَدُّدُها عَنْ 20 كيلوهِرْتزْ، فإنَّ الأُذُنَ البَشَـرِيَّةَ لا تَسْتَطيعُ سَمَاعَها.

 

إلاَّ أَنَّ عدَمَ سَماعِنا الصَّوْتَ لا يَعْني عَدَمَ وُجودِهِ، فهناكَ الكثيرُ مِنَ الأَصْواتِ الّتي تَمْلأُ الفَضَاءَ، ويَتَواصَلُ بها كثيرٌ من الحيواناتِ، ولكنَّها لا تَقَعُ ضِمْنَ التَّرَدُّدِ الّذي نَسْتطيعُ سَماعَهُ، عَلَى نَحْوِ ما نَجِدُ في حَالَةِ الخَفافِيشِ مَثلاً.

وإنَّ هَذا مِنْ لُطْفِ اللهِ بنا، إذْ إنَّنا لو اسْتَطَعْنَا سَمْعَ جَميعِ هذه الأَصْواتِ لَمَا تَمَكَّنَّا من تَمييزِ بَعْضِها من بَعْضٍ، ولأَزْعَجَتْنَا إزْعاجًا شديدًا.

وحَيْثُ إنَّ الصَّوْتَ ظاهِرَةٌ مَوْجِيَّةٌ، فهُوَ يَنْتَقِلُ مِن مَصْدَرِه خِلالَ الهَواءِ (أَو أَيِّ وَسَطٍ مَادِّيٍّ) عَبْرَ سِلْسِلَةٍ مِنَ التَّضاغُطاتِ (التَّكاثُفاتِ) والتَّخَلْخُلاتِ الّتي تَحْدُثُ لِوَسَطِ الانْتِقالِ، أَيْ إنَّ الطَّاقَةَ الصَّوْتِيَّةَ، لا الوَسَطَ، هي الّتي تَنْتَقِلُ عَنْ طَريقِ اهْتزازِ جُسَيْماتِ الوَسَطِ في اتِّجَاهِ انْتِشارِ التَّمَوُّجاتِ.

 

فَعِنْدَما تَهْتَزُّ شُعْبَةُ الشوكَةِ الرَّنَّانَةِ، مثلاً، فإنَّ حَرَكَتها إلَى الأَمامِ تَعْمَلُ عَلَى ضَغْطِ الهَواءِ المُلاصِقِ لها وانْطِلاقِ مَوْجَةٍ تَضاغُطِيَّةٍ في الهَواءِ وفي لَحْظَةٍ تَالِيَةٍ تَتَحَرَّكُ الشُّعْبَةُ إلى الخَلْفِ تارِكَةً وَراءَها مِنْطَقَةَ تخَلْخُلٍ ذاتِ ضِغْطٍ مُنْخَفِضٍ تَتَباعَدُ فيه جُزَيْئاتُ الهَواءِ.

وبِتَكْرارِ هَذِهِ العَمَلِيَّةِ مَرَّاتٍ كَثيرَةٍ تَتَحَرَّكُ مَناطِقُ التَّضاغُطِ والتَّخَلْخُلِ ذَهابًا وإِيابًا بِنَفْسِ الطَّريقَةِ الّتي تَهْتَزُّ بها شُعْبَةُ الشّوكةِ الرَّنَّانَةِ، ويَنْشأُ ما نُسَمِّيهِ بِمَوجاتِ الصَّوْتِ الطُّولِيَّةِ التَّضاغُطِيَّةِ.

وقَدْ عَرَفَ عُلماءُ الحَضارَةِ الإسْلامِيَّةِ أَنَّ سُرْعَةَ الصَّوْتِ أَقَلُّ كثيرًا مِنْ سُرْعَةِ الضَّوْءِ، وأَشارَ ابنُ سِينَا إلَى تَأَخُّرِ سَمَاعِ صَوْتِ الرَّعْدِ عَنْ رُؤْيَةِ ومِيضِ البَرْقِ.

 

لكنَّ قِياسَ سُرْعَةِ الصَّوْتِ وتَحديدَ مِقْدارِها لَمْ يَتَحَقَّقَا إلاَّ في القَرْنِ السَّابِعَ عَشَـر المِيلادِيِّ، عِنْدَما تَمَكَّنَ «مِيرْسِن» و«جاسِّنْدِي» من إِجراءِ أَوَّلِ تَجْرِبَةٍ عَمَلِيَّةٍ لِتَعيينِ سُرْعَةِ الصَّوْتِ في الهَواءِ عَنْ طريقِ قِياسِ الفَتْرَةِ الزَّمَنِيَّةِ الّتي تَنْقَضي بَينَ لَحْظَةِ رُؤْيَةِ النَّارِ المُنْبَعِثَةِ من فُوَّهَةِ مِدْفَعٍ (أَو بُنْدُقِيَّةٍ) عنْدَ إِطْلاقِ قَذيفَةٍ مِنْهُ، وبَيْنَ لَحْظَةِ سَمَاعِ صَوْتِ القَذِيفَةِ عِنْدَ مَوْضِعٍ بَعيدٍ عَنْ المِدْفَعِ.

وظَلَّتْ فِكْرَةُ الرَّبْطِ بَيْنَ ضَوْءٍ وصَوْتٍ صادِرَيْن من مَصْدَرٍ واحدٍ في اللَّحْظَةِ نَفْسِها أَساسًا لتَجارِبَ عَديدَةٍ بَعْدَ ذَلِكَ إلَى أنْ تَمَكَّن «إِسكلاجنون»، خِلالَ الحَرْبِ العالَمِيَّةِ الأُولَى في عامَي 1917 و1918، من تَقْديرِ سُرْعَةِ الصَّوْتِ في الهَواءِ الجافِّ عِنْدَ دَرَجَةِ الصِّفْرِ سِلْزيوس (المِئَوِيِّ) بِدِقَّةٍ عالِيَةٍ تَقْتَرِبُ مِنَ القِيمَةِ النَّظَرِيَّةِ لِسُـرْعَةِ المَوْجاتِ التَّضاغُطِيَّةِ، وهي 330.1 من المتر في الثَّانِيَةِ (م/ث).

 

وأَوْضَحَتْ التَّجارِبُ العَمَلِيَّةُ أَنَّ سُرْعَةَ الصَّوْتِ في الأَجْسامِ الصُّلْبَةِ والسَّوائِلِ أَكْبَرُ من سُرْعَتِها في الغَازَاتِ. فهِيَ في الماءِ تُساوِي 1435 م/ث عند 13° س، وفي النُّحاسِ تساوِي 3560 م/ث عند 20° س، وفي الزُّجاجِ تساوِي 5000 م/ث.

وبِمَا أَنَّ الصَّوْتَ يَنْتَقِلُ عَلَى شَكْلِ حَرَكَةٍ مَوْجِيَّةٍ فإنَّه يَنْعَكِسُ عَنْ الحواجِزِ الصُّلْبَةِ طِبْقًا لِقوانِينِ انْعكاسِ الأَمْواجِ.

وإذا سَقَطَ علَى سَطْحٍ يَفْصِلُ بَيْنَ وَسَطَيْن فإنَّ الطَّاقَةَ الصَّوْتِيَّةَ تَنْقَسِمُ عِنْدَ السَّطْحِ الفَاصِلِ إلَى ثلاثَةِ أَقْسامٍ: قسمٌ منها يَنْعَكِسُ في الوَسَطِ الّذي جَاءَتْ مِنْه، وقِسْمٌ آخَرُ يَنْفُذُ في الوَسَطِ الجَديدِ ويُعاني انْكِسارًا، والقِسْمُ الثَّالِثُ يُمْتَصُّ.

 

وقَدْ عَرَفَ عُلَماءُ الحَضارَةِ الإسْلامِيَّةِ أَنَّ الصَّوْتَ عِنْدَما يَنْعَكِسُ عَنْ سَطْحٍ مُقَعَّرٍ فإنَّه يَتَجَمَّعُ في بُؤْرَةٍ مُحَدَّدَةٍ، شَأْنُهُ في ذَلِكَ شَأْنُ الضَّوْءِ الّذي يَنْعَكِسُ عَنْ سَطْحِ مِرآةٍ مُقَعَّرَةٍ.

وإذا أُجْرِيَ حِسابٌ دَقيقٌ لِهَنْدَسَةِ السُّطوحِ المُقَعَّرَةِ فإنَّه يُصْبِحُ بالإمْكانِ تَسْليطُ الأَمْواجِ الصَّوْتِيَّةِ المُنْعَكِسَةِ وتَرْكيزُها في اتِّجاهاتٍ مُعَيَّنَةٍ بِحَيْثُ تَزيدُ مِنْ وُضوحِ الصَّوْتِ وشِدَّتِهِ.

أَمَّا إذا لَمْ تُرَاعَ الحِساباتُ الدَّقيقَةُ لأماكِنِ وأَبْعادِ السُّطوحِ المُقَعَّرَةِ بالنِّسْبَةِ لأَماكِنِ إصْدارِ الصَّوْتِ واسْتِقبالِه، فإنَّه يَنْتُجُ عَنْ ذَلِكَ تَشْويشٌ غَيْرُ مَرْغوبٍ فيهِ للصَّوْتِ لَدَى السَّامع، بسَبَبِ التَّداخُلِ الّذي يَحْدُثُ بَيْنَ الصَّوْتِ الّذي يَصِلُ من المُتَكَلِّم إلَى السَّامع مُباشَرَةً والصَّوْتِ المُنْعَكِسِ عَنْ السَّطْحِ المُقَعَّرِ إلَى السَّامِعِ بَعْدَ مُرورِ فَتْرَةٍ مِنَ الزَّمَنِ.

 

وأَفادَ المُهَنْدِسونَ المُسْلمونَ من خَاصِّيَّةِ تَرْكيزِ الصَّوْتِ في أَغْراضِ البِنَاءِ والتَّشْييدِ، وخاصَّةً في المساجِدِ الجامِعَةِ الكبيرَةِ لِنَقْل وتَقْوِيَةِ صَوْتِ الخَطيبِ والإِمامِ في أَيَّامِ الجُمُعَةِ والأَعْيادِ.

مثالُ ذَلِكَ مَسْجِدُ أَصْفَهانَ القَديمُ، ومَسْجِدُ العادِلِيَّةِ في حَلَب، وبَعْضُ مساجِدِ بَغْدادَ القَديمَةِ، حَيْثُ كانَ يُصَمَّمُ سَقْفُ المَسْجِدِ وجُدْرانُهُ علَى شَكْلِ سُطوحٍ مُقعَّرَةٍ مُوَزَّعَةٍ في زَوايَا المَسْجِدِ وأَرْكانِهِ بِطريقَةٍ دَقيقَةٍ تَضْمَنُ تَوْزيعَ الصَّوْتِ علَى جميعِ الأرْجاءِ فَيَصِلُ صَوْتُ الخطيبِ واضحًا دُونَ تَشْويشٍ إلَى جميعِ المُصَلِّينَ عَلَى الرَّغْمِ مِنْ كِبَرِ مِساحَةِ المَسْجِدِ.

وتُسْتَخْدَمُ خَاصِّيَّةُ تركيزِ الصَّوْت حاليًّا في هَنْدَسَةِ الصَّوْتِيَّاتِ، حَيْثُ تُزَوَّدُ المَسارِحُ وقَاعاتُ الاحْتِفالاتِ الكَبيرَةُ بِجُدرانٍ خَلْفِيَّةٍ مُقَعَّرَةٍ تَعْمَلُ عَلَى ارْتِدادِ الصَّوْتِ وزِيادَةِ وُضوحِهِ.

 

ويُمْكِنُ تَحْسينُ الحالَةِ الصَّوْتِيَّةِ في القاعاتِ باسْتِخْدامِ أَلْواحٍ مِنْ مَوَادَّ ماصَّةٍ للطَّاقَةِ الصَّوْتِيَّةِ، مِثْلَ «الفِلْينِ» و«الجِبْسِ»، ونسيجِ «الأَلْيافِ الزُّجاجِيَّةِ»، وتُوضَعُ هَذِهِ الأَلْواحُ في أَماكِنَ مُعَيَّنَةٍ عَلَى السَّقْفِ والجُدرانِ بِغَرَضِ تَقليلِ دَوِيِّ الصَّوْتِ أَو التَّخَلُّصِ مِنْهُ.

من ناحيةٍ أُخْرَى عِنْدَما يُرادُ جَمْعُ الطَّاقَةِ الصَّوْتِيَّةِ ونَقْلُها دُونَ فقْدٍ تَقْريبًا، تُسْتَخْدَمُ أَنابيبُ من موادَّ ذاتِ مُعامِلِ امْتِصاصٍ ضَئيلٍ جِدًّا، عَلَى نَحْوِ ما نَجِده في سَمَّاعَةِ الطَّبيبِ مثلاً.

ولَقَدْ غَزَتْ الصَّوْتِيَّاتُ الحَديثَةُ مجالاتٍ تَطْبيقِيَّةً عَديدَةً، خاصَّةً في مجالاتِ التَّسْجِيل وإعادَةِ إِخْراجِ الصَّوْتِ واسْتِخْداماتِ الأَمْواجِ فَوْقَ السَّمْعِيَّةِ.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق