نحن محاطون بها في كل مكان: ما هي الموجات الصوتية؟

نحن نعيش حياتنا كلها محاطين بها، وتصطدم بنا باستمرار بسرعة تزيد عن 1100 كيلومتر في الساعة، أحياناً تكون مؤلمةً، وأحياناً تكون مهدّئة. لديها القدرة على إيصال الأفكار، واستحضار الذكريات الجميلة، وتحفيز المعارك، وإمتاع الجمهور، وإخافة من يزعجنا، أو مساعدتنا على الوقوع في الحب، يمكن أن تثير مجموعة من المشاعر، وقد تتسبب بأضرار جسدية. يبدو هذا الكلام كشيء من الخيال العلمي؛ ولكن ما نتحدث عنه حقيقي للغاية، وجزء بالفعل من حياتنا اليومية؛ إنها الموجات الصوتية. ما هي هذه الموجات؟ وكيف تعمل؟

علم الصوت

إذا لم تكن تعمل في مجال الصوت، فربما لا تفكّر كثيراً في الآلية التي يعمل وفقها الصوت. بالتأكيد؛ يهتم معظم الناس بالمشاعر التي يجعلهم الصوت يشعرون بها؛ لكنهم لا يهتمون بكيفية تأثير الصوت عليهم فعلياً. مع ذلك، فإن فهم ظاهرة الصوت له عدد من التطبيقات العملية، ولا يتعين عليك أن تكون فيزيائياً أو مهندساً لاستكشاف هذا الموضوع الرائع. إليك بدليل تمهيدي عن علم الصوت لمساعدتك على البدء.

شكل وطبيعة الموجات الصوتية

الموجات الصوتية هي نوع من الطاقة يتم تحريرها عندما يهتز الجسم، تنتقل هذه الموجات الصوتية من مصدرها عبر وسط ما؛ مثل الهواء أو الماء، وعندما تتلامس مع طبلة الأذن؛ تترجم أدمغتنا موجات الضغط إلى كلمات أو موسيقى، أو إشارات يمكننا فهمها.

تساعدك هذه النبضات على تحديد أماكن الأشياء في بيئتك المحيطة، ويمكننا الشعور بالموجات الصوتية بطرق أكثر فيزيائيةً وليست فيزيولوجية فقط. إذا وصلت الموجات الصوتية إلى ميكروفون؛ مثل ميكروفون «شور إس إم7بي» الصناعي، فإنه يحولها إلى نبضات إلكترونية يتم تحويلها مرة أخرى إلى صوت عن طريق اهتزاز مكبرات الصوت. في حفل موسيقي، يمكننا أن نشعر بصوت الـ «باس» العميق أو «الباص» كما يدعى أحياناً؛ وهي طبقة الصوت الجَهوري، في صدرنا. يمكن لمطربي الأوبرا استخدام الموجات الصوتية لتحطيم الزجاج، حتى أنه من الممكن رؤية الموجات الصوتية عندما تنتشر عبر وسط مثل الرمال؛ والتي تترك وراءها نوعاً من البصمة الصوتية.

شكل الموجات الصوتية عبارة عن قمم وقيعان ووديان؛ وهي البصمة المميزة للموجة الجيبية (تُعرف أيضاً باسم المنحنى الجيبيّ). إذا كانت الموجة تتحرك بسرعة، فإن تلك القمم والقيعان تتقارب من بعضها، بينما إذا تحركت ببطء، فإنها تبتعد. لا ضير في التفكير بالموجات الجيبية مثل موجات المحيط. هذه الحركة هي التي تجعل الموجات الصوتية مسؤولةً عن العديد من الظواهر الأخرى.

التردد المقيّد

عندما نتحدث عن سرعة الموجة الصوتية، فإننا نشير إلى مدى سرعة تحرك هذه الموجات الطولية من القمة إلى القاع، وعودةً إلى القمة. للأعلى .. ثم للأسفل .. ثم للأعلى .. ثم للأسفل. المصطلح التقني لتوصيف هذا هو «التردد»؛ لكن الكثير منا يعرفه باسم طبقة الصوت. نقيس تردد الصوت بالهيرتز (Hz)؛ وهي تمثل عدد الدورات في الثانية الواحدة، وكلما ازداد التردد، تنتج أصواتاً عالية الطبقة. على سبيل المثال؛ إن تردد النوتة «إيه» التي تقع فوق نوتة «سي» المتوسطة على البيانو هو 440 هيرتز؛ أي أنه موجتها الصوتية تنتقل لأعلى ولأسفل بمعدل 440 دورة في الثانية. تردد نغمة «سي» الوسطى هو 261.63 هيرتز؛ وهي نوتة ذات طبقة أخفض، وتهتز بتردد أقل.

يمكن أن يكون فهم الترددات مفيداً بعدّة طرق. يمكنك دوزنة الآلات الموسيقية بدقة من خلال تحليل ترددات أوتارها، كمت يستخدم مهندسو التسجيل فهمهم لمجالات التردد لضبط إعدادات المُعادلة التي تساعد على إخراج الأصوات الموسيقية التي يسجّلونها. يتعامل مصممو السيارات مع مفهوم التردد والمواد التي يمكن أن تثبّطته بهدف جعل المحركات أكثر هدوءاً، وتستخدم سماعات الرأس وسماعات إلغاء الضوضاء النشطة (أو سماعات «إيه إن سي») الذكاء الاصطناعي والخوارزميات لقياس الترددات الخارجية وتوليد موجات عكسية لإلغائها؛ مما يجعلها تعزل الضوضاء المحيطة عن مرتديها. متوسط مجال التردد للسمع البشري هو 20 - 20,000 هيرتز.

• لماذا سُمّيت وحدة قياس التردد بالهيرتز؟
  سُمّيت تيمّناً باسم الفيزيائي الألماني «هاينريش رودولف هيرتز»؛ الذي أثبت وجود الموجات الكهرطيسية/الكهرومغناطيسية.

تكبير الموجات

السعة تعبّر عن شدّة الصوت. باستخدام تشبيهنا الخاص بموجات المحيط، تقابل السعة ارتفاع الأمواج. نقيس السعة بالديسيبل، ومقياس الديسيبل هو مقياس لوغاريتمي؛ ما يعني أن هناك نسبةً ثابتةً بين وحدات القياس؛ لكن ماذا يعني ذلك؟

لنفترض أن لديك قرصاً مدرّجاً في مضخم صوت الغيتار الخاص بك بتدريجات متباعدة بشكلٍ متساوٍ مرقمةٍ من 1 إلى 5. إذا كان القرص يتّبع مقياساً لوغاريتمياً، فلن يزداد مستوى الصوت بشكلٍ متساوٍ عندما تدير القرص من تدريجة لأخرى. إذا كانت النسبة السابقة تساوي 4 مثلاً، فإن تدوير القرص من التدريجة الأولى إلى الثانية يزيد الصوت بمقدار 4 ديسيبل؛ لكن الانتقال من التدريجة الثانية إلى الثالثة يزيده بمقدار 16 ديسيبل.

أدر القرص مرة أخرى وسيصبح مكبّر الصوت أكثر صخباً بمقدار 64 ديسيبل، وإذا أدرته مرة أخرى؛ ستُخرج صوتاً عالياً تبلغ سعته 256 ديسيبل؛ وهو صوت عالٍ بما يكفي لتمزيق طبلة الأذن. إذا كنت لا تزال قادراً على الوقوف بطريقة ما، فيمكنك تدوير هذا القرص مرة أخرى لزيادة سعة الصوت إلى 1024 ديسيبل؛ وهي سعة تتجاوز 10 أضعاف سعة صوت أية حفلة لموسيقى الروك يمكن أن تحضرها في حياتك، وسيؤدي ذلك بالتأكيد إلى دفعك بعيداً عن مكبّر الصوت. هذه هي الأسباب التي تمنع تصميم المكبّرات الحقيقية بهذه الطريقة.

• مضاعفة الصوت: كل زيادة في سعة الصوت تعادل 10 ديسيبل تقابل ما يدعى بـ «تضاعف حجم الصوت».

بعض سمات الموجات الصوتية

المُغلّف والطابع الصوتي هي من سمات الموجات الصوتية التي تساعدنا في معرفة السبب الذي يجعل آلتان موسيقيّتان تعزفان نفس التآلفات (الكوردات؛ أي عندما تترافق نوتتان أو أكثر معاً) تبدوان مختلفتين تماماً.

يتم تحديد الطابع الصوتي من خلال التوافقيات الفريدة التي تتكون من مزج النوتات في تآلفٍ واحد. إن النوتة «إيه» في التآلف «إيه» هي النوتة الأساسية فقط (توجد أيضاً النوتات الفوقية والنوتات الخفيفة). الطريقة التي تتفاعل فيها هذه النوتات معاً تميّز صوت البيانو عن صوت الغيتار مثلاً، أو تميّز أصوات الحيوانات عن بعضها.

لكننا نعتمد أيضاً على المغلفات؛ والتي تحدد كيف تتغير سعة الصوت بمرور الوقت. قد تزيد سعة نوتة تطلقها آلة التشيلو ببطء إلى أقصى حد لها، ثم تحافظ هذه السعة قليلاً قبل أن تتلاشى مرة أخرى. من ناحية أخرى، فإن صوت إغلاق الباب بقوّة هو صوت سريع وحادّ وعالٍ ينقطع على الفور تقريباً. تتكون المغلفات من 4 أجزاء كالتالي:

1. الهجوم:

هو السرعة التي يصل بها الصوت إلى أقصى سعة له. صوت نباح الكلب له هجوم قصير جداً، بينما صوت الأوركسترا الصاعد له هجوم أبطأ.

2. التلاشي:

يصف هذا مدى سرعة استقرار الصوت في سعته الثابتة. عندما يقرع عازف الغيتار وتراً، تبدأ النوتة بصوت عالٍ؛ ولكنها تستقر بسرعة في مستوى أكثر هدوءاً قبل أن تتلاشى تماماً. الوقت المستغرَق للوصول إلى هذه السعة الثابتة هو التلاشي.

3. الاستدامة:

الاستدامة ليست مقياساً للوقت، إنها مقياس للسعة؛ وهي تعبّر عن مدى صخب نوتة الغيتار بعد الهجوم الأوّلي؛ ولكن قبل أن تتلاشى.

4. الإصدار:

هذا هو الوقت الذي تستغرقه النغمة حتى تزول تماماً.

سرعة الصوت

تصوّر أفلام الخيال العلمي انفجارات سفن الفضاء العنيفة والصاخبة. مع ذلك؛ يجب أن ينتقل الصوت عبر وسط خاص حتى يتم سماعه، لذلك؛ على الرغم مما تراه في الأفلام، فلن تسمع أبداً انفجاراً في الفضاء الخارجي.

تختلف سرعة الصوت، أو السرعة التي ينتقل بها في الوسط، تبعاً لكثافة (وحتى درجة حرارة) هذا الوسط، فالصوت أسرع في الهواء منه في الماء مثلاً. بشكلٍ عام؛ يتحرك الصوت بسرعة 343.5 متر في الثانية، أو 1235 كيلومتراً في الساعة. عندما تتجاوز الطائرات حاجز الصوت، فإنها تتحرك بسرعة أكبر من هذه السرعة. تتيح لك معرفة هذه الأرقام تقدير بعد الصواعق عن طريق حساب الوقت بين الومضة ودوي الرعد، إذا تمكّنت من العد إلى 10 بين الومضة والدوي، فستكون الصاعقة ضربت على بعد 3435 متر تقريباً.

تجربة محفّزة

يمكن لأي شخص الاستفادة من فهم أساسيات الصوت وطبيعة الموجات الصوتية. من الواضح أن الموسيقيين الذين لديهم إعدادات تسجيل منزلية يحتاجون إلى معرفة عمليّة بالترددات والسعات. إذا كنت تستضيف بثّا صوتياً، فستحتاج إلى أكبر عدد ممكن من الأدوات لضمان أن يكون صوتك واضحاً وعميقاً، ويمكن أن يشمل ذلك معرفة ترددات صوتك الخاص، والميكروفونات الأنسب لها، وكيفية إعداد غرفتك لتعكس أو تخمّد الأصوات.

يُعد الحصول على بعض المعلومات الأساسية مفيداً أيضاً عند القيام بمشاريع تحسين المنزل، عند عزل سطح مغلق جديد صوتياً مثلاً. ومَن يدري؟! ربما في يوم من الأيام سترغب في تحطيم بعض الزجاج. إن الحصول على فهم أفضل للفيزياء الخاصة بالصوت يفتح طرقاً جديدةً رائعةً لاستكشاف وتجربة العالم من حولنا.

هذا المقال محمي بحقوق الملكية الدولية. إن نسخ نص المقال بدون إذن مسبق يُعرض صاحبه للملاحقة القانونية دولياً