|
| جدول يبين سرعة الصوت في الاوساط المختلفة |
غالبًا ما نسمع أصواتًا عندما نتحدث إلى الناس ، أو نستمع إلى الموسيقى ، أو نعزف على آلة موسيقية ،او نشاهد التلفاز فأننا نشاهد صور ونسمع صوت وما إلى ذلك ، ولكن هل تساءلت يومًا ما هو الصوت وكيف ينتقل؟ أو سرعة الصوت في الماء والهواء والمعادن ؟ في هذه المقالة نقدم إجابات على كل هذه الأسئلة.
ما هو الصوت What is Sound
الصوت هو اهتزاز ينتشر عبر وسيط على شكل موجة ميكانيكية. يمكن أن يكون الوسط الذي
ينتشر فيه إما صلبًا أو سائلًا أو غازًا. ينتقل الصوت بشكل أسرع في المواد الصلبة
، وأبطأ نسبيًا في السوائل وأبطأ في الغازات.
في الفيزياء ، يتم تعريف الصوت على أنه اهتزاز ينتشر كموجة ضغط مسموعة ، عبر وسيط
مثل غاز أو سائل أو صلب.
ومن منظور علم الاحياء
الصوت عبارة عن إشارة تحتوي على نغمة او أكثر تصدر من الكائن الحي الذي يمتلك عضو
باعث للصوت، ويستعمل الصوت 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.
يتم تعريف الصوت على أنه استقبال موجات الصوت وتصور الدماغ لها.
الموجة الصوتية هي نمط الاضطراب الناجم عن انتقال الطاقة بعيدًا عن مصدر الصوت.
وتصدر الموجات من جميع الأجسام المهتزة، فالموجات التي تصدر نتيجة لاهتزاز أوتار
مدودة تنتج نغمات تصل إلينا خلال الهواء. وهناك مصادر كثيرة أخرى للأصوات كآلة
البوق مثلا حيث إن الموجات تنشأ نتيجة لاهتزاز شفتي مستخدمه عند فم الآلة ولكن
كلا من هذه المصادر يتكون أساسا من جسم مهتز
يقوم بتوليد الموجات في الهواء.
و الموجات الصوتية هي موجات طولية. هذا يعني أن انتشار اهتزاز الجسيمات موازي
لاتجاه انتشار موجة الطاقة. عندما تكون الذرات في حالة اهتزاز فإنها تتحرك ذهابًا
وإيابًا. ينتج عن هذه الحركة المستمرة ذهابًا وإيابًا منطقة ضغط مرتفع وضغط منخفض
في الوسط. تسمى هذه المناطق ذات الضغط العالي والمنخفض بالضغط والخلخلة ، على
التوالي. يتم نقل هذه المناطق إلى الوسط المحيط مما يؤدي إلى انتقال الموجات
الصوتية من وسط إلى آخر.
حين يهتز جسم ما، صفيحة مرنة مثلا، فإنها تحرك الهواء المحيط بها أي تنقل جزيئات الهواء من الأوضاع التي كانت فيها سابقا إلى أوضاع جديدة، ونلاحظ أثناء ذلك أننا نسمع صوتا، وبالتدريج تأخذ حركة الصفيحة بالاضمحلال حتى تسكن آخر الأمر والسبب في ذلك أن:
وعند تحرك الصفيحة إلى الخلف تندفع جزيئات الهواء الموجودة خلفها إلى الوراء ، وجزيئات الهواء بدورها تدفع ما بجوارها من جزيئات إلى الوراء وهكذا.
وبما أن جزيئات الهواء تعارض دائما أي ضغط يقع عليها فهي تعارض حركة الصفيحة وتجعلها تضمحل. أما جزيئات الهواء الموجودة أمام الصفيحة فإنها تتباعد عن بعضها تاركة فراغا بينها (تتخلخل) فتدفع الجزيئات المجاورة لها لتملا هذا الفراغ.
ولكن عندما تتحرك الصفيحة إلى الأمام فإنها تدفع جزيئات الهواء التي أمامها وتمتص الجزيئات التي خلفها إلى الأمام نتيجة لتخلخل الهواء.
وبهذه الطريقة نحصل على زيادة دورية ونقص دوري في ضغط الهواء أثناء اهتزاز الصفيحة. هذا التغير في ضغط الهواء ينتشر في جميع الاتجاهات ويؤثر تغير الضغط هذا على طبلة الأذن ويؤدي إلى الإحساس بالصوت.
إن بعض المشاهدات اليومية تبين لنا أن الصوت لا ينتشر آنيا بل يستغرق زمنا
يتناسب مع المسافة التي يقطعها، فكلنا نرى البرق قبل سماع صوت الرعد، ونسمع
هدير محرك الطائرة صادرا من مكان غادرته الطائرة منذ مدة. كما ونرى لهب المدفع
قبل سماعنا صوت فرقعته.
إذا فمشاهدة الحادثة بالنظر تسبق سماع الصوت الذي ينتج عنها، فإذا اعتبرنا أن الضوء ينتشر آنيا نظرا لسرعته العظيمة3000000km/s، فإننا نستنتج أن الفترة التي تفصل بين الإحساس البصري والشعور السمعي في ملاحظة حادث واحد هي الزمن الذي يستغرقه الصوت ليتجاوز المسافة التي تفصل السامع عن مكان الحادث.
وسرعة الصوت مصطلح يستخدم لوصف سرعة الموجات الصوتية التي تمر عبر وسط مرن.
تختلف السرعة باختلاف الوسط المستخدم (على سبيل المثال ، تتحرك الموجات الصوتية في الماء أسرع منها في الهواء) ، وكذلك باختلاف خصائص الوسط ، وخاصة درجة الحرارة.
الهواء الجاف : 331 م/ث
الأوكسجين :315 م/ث
الهيدروجين :1260 م/ث
كما دلت التجارب على أن سرعة الصوت في الهواء تزداد بمقدار 0.5 - 0.6 م/ث من أجل ارتفاع درجة الحرارة درجة مئوية واحدة.
فالصوت ليس أكثر من اضطراب ينتشر عن طريق الاصطدامات بين الجسيمات. جزيء واحد يضرب التالي وهكذا دواليك. تكون المواد الصلبة أكثر كثافة من السوائل أو الغازات. هذا يعني أن الجزيئات في المواد الصلبة أقرب إلى بعضها البعض منها في السوائل والسوائل منها في الغازات. هذا القرب بسبب الكثافة يعني أنه يمكن أن تصطدم بسرعة كبيرة. على نحو فعال ، يستغرق جزيء المادة الصلبة وقتًا أقل للاصطدام بالجزيء المجاور لها. نتيجة لهذه الميزة ، تكون سرعة الصوت في المادة الصلبة أكبر منها في الغاز. سرعة الصوت في الحالة الصلبة 6000 متر في الثانية بينما سرعة الصوت في الفولاذ تساوي 5100 متر في الثانية. حقيقة أخرى مثيرة للاهتمام حول سرعة الصوت هي أن الصوت ينتقل في الماس أسرع 35 مرة منه في الهواء.
انعكاس الصوت وانعراجه
إذا صادفت الأمواج الصوتية حاجزا اصطدمت به ثم ارتدت وانعكست وقد ينعكس الصوت متجها نحو المنبع الصوتي وعندئذ تحصل لدينا ما يسمى حادثة الصدى.
فالأذن البشرية تميز صوتين قصيري الأمد إذا كان الفاصل الزمني بين سماعهما لا ينقص عن عشر الثانية، ولما كان الصوت يقطع حوالي 340 م/ث في الهواء فهو يقطع في عشر الثانية مسافة قدرها m 34، فينبغي أن تكون المسافة التي قطعها الصوت في ذهابه ورجوعه بعد الانعكاس أكبر من m 34 أي أن يقع الحاجز على بعد يزيد عن m 17 من الشخص المتكلم حتى يستطيع سماع صوت الصدى.
طبيعة الصوت وكيفية انتقاله
تنتقل الموجات الصوتية عبر وسيط عن طريق تقليص وتوسيع أجزاء الوسط الذي تنتقل
فيه بالتناوب. وسرعة الصوت هي المسافة التي يقطعها أي صوت لكل وحدة
زمنية.
حين يهتز جسم ما، صفيحة مرنة مثلا، فإنها تحرك الهواء المحيط بها أي تنقل جزيئات الهواء من الأوضاع التي كانت فيها سابقا إلى أوضاع جديدة، ونلاحظ أثناء ذلك أننا نسمع صوتا، وبالتدريج تأخذ حركة الصفيحة بالاضمحلال حتى تسكن آخر الأمر والسبب في ذلك أن:
- الصفيحة تحاول معارضة حركتها والعودة إلى السكون.
- الهواء المحيط بالصفيحة يحاول بدوره أن يعارض حركتها.
وعند تحرك الصفيحة إلى الخلف تندفع جزيئات الهواء الموجودة خلفها إلى الوراء ، وجزيئات الهواء بدورها تدفع ما بجوارها من جزيئات إلى الوراء وهكذا.
وبما أن جزيئات الهواء تعارض دائما أي ضغط يقع عليها فهي تعارض حركة الصفيحة وتجعلها تضمحل. أما جزيئات الهواء الموجودة أمام الصفيحة فإنها تتباعد عن بعضها تاركة فراغا بينها (تتخلخل) فتدفع الجزيئات المجاورة لها لتملا هذا الفراغ.
ولكن عندما تتحرك الصفيحة إلى الأمام فإنها تدفع جزيئات الهواء التي أمامها وتمتص الجزيئات التي خلفها إلى الأمام نتيجة لتخلخل الهواء.
وبهذه الطريقة نحصل على زيادة دورية ونقص دوري في ضغط الهواء أثناء اهتزاز الصفيحة. هذا التغير في ضغط الهواء ينتشر في جميع الاتجاهات ويؤثر تغير الضغط هذا على طبلة الأذن ويؤدي إلى الإحساس بالصوت.
ويمكن القول أنه ليس للهواء أي صفات خاصة تجعله وحده يهتز اهتزازات صوتية ،
فالاهتزازات الصوتية يمكن أن تنشأ في أي جسم قابل للانضغاط.
وبما أنه لا يوجد في الطبيعة أجسام غير قابلة للانضغاط، إذا فذرات أية مادة
يمكن أن ننقل الصوت.
و يختلف الصوت الناتج عن الجيتار عن الصوت الناتج عن الطبل. هذا لأن الصوت
الناتج عن مصادر مختلفة له خصائص مختلفة. ويمكن أن يتسم الصوت بتردده وطوله
الموجي والسعة.
سرعة الصوت speed of sound
إذا فمشاهدة الحادثة بالنظر تسبق سماع الصوت الذي ينتج عنها، فإذا اعتبرنا أن الضوء ينتشر آنيا نظرا لسرعته العظيمة3000000km/s، فإننا نستنتج أن الفترة التي تفصل بين الإحساس البصري والشعور السمعي في ملاحظة حادث واحد هي الزمن الذي يستغرقه الصوت ليتجاوز المسافة التي تفصل السامع عن مكان الحادث.
وتدل التجارب على أن هذه السرعة ثابتة في شروط معينة ولا تتغير من صوت
لآخر، فأصوات جوقة موسيقية تصلنا كلها في لحظة واحدة بالرغم من اختلاف آلاتها.
وتعطى سرعة الصوت بالعلاقة:
|
|
العلاقة لخاصة بسرعة الصوت |
تختلف السرعة باختلاف الوسط المستخدم (على سبيل المثال ، تتحرك الموجات الصوتية في الماء أسرع منها في الهواء) ، وكذلك باختلاف خصائص الوسط ، وخاصة درجة الحرارة.
سرعة الصوت في الهواء والغازات speed of sound in air
إن قياس سرعة الصوت في الهواء والغازات ودراسة العوامل المؤثرة عليها أدت إلى النتائج الآتية:- تأثير الضغط: لا تتعلق سرعة الصوت بضغط الهواء أو الغاز.
- تأثير طبيعة الغاز: تنقص سرعة الصوت بازدياد كثافة الغاز.
- تأثير الحرارة: تزداد سرعة الصوت بازدياد درجة الحرارة.
الهواء الجاف : 331 م/ث
الأوكسجين :315 م/ث
الهيدروجين :1260 م/ث
والجدول التالي يوضح سرعة انتقال الصوت في الهواء والغازات
|
|
جدول سرعة الصوت في الهواء والغازات |
كما دلت التجارب على أن سرعة الصوت في الهواء تزداد بمقدار 0.5 - 0.6 م/ث من أجل ارتفاع درجة الحرارة درجة مئوية واحدة.
سرعة الصوت في الماء speed of sound in water
إن سرعة انتشار الصوت في الماء أعلى بكثير منها في الهواء. تبلغ سرعة الصوت في الهواء في الظروف العادية حوالي 331 م/ث، بينما تبلغ سرعة الصوت في الماء حوالي 1480 مترًا في الثانية تقريبا. أو يمكن القول أن الصوت ينتقل في الماء أسرع منه في الهواء. ومن المثير للاهتمام أيضًا معرفة أن السرعة قد تتراوح بين 1450 إلى 1498 مترًا في الثانية في الماء المقطر بينما تبلغ السرعة 1531 مترًا في الثانية تقريباً في مياه البحر عندما تكون درجة الحرارة بين 20 درجة مئوية إلى 25 درجة مئوية.سرعة الصوت في السائل
إن كثافة السائل أكبر من كثافة الغاز. لذلك فإن المسافات بين الجزيئات
تكون في السوائل أكثر منها في المواد الصلبة ولكنها أقل منها في الغازات. ومن
ثم فإن سرعة الصوت في السوائل تقع بين سرعة الصوت في المواد الصلبة والغازات.
سرعة الصوت في الاجسام الصلبة speed of sound in solid
إن سرعة الصوت في المعادن و الأجسام الصلبة أعلى منها في السوائل وقد وجد أن هذه السرعة تساوي 3500 متر في الثانية في الحديد الصلب مثلا وفي الألومنيوم 5100م/ث وفي النحاس 3560م/ث وفي الرصاص 1322م/ث .إذا صادفت الأمواج الصوتية حاجزا اصطدمت به ثم ارتدت وانعكست وقد ينعكس الصوت متجها نحو المنبع الصوتي وعندئذ تحصل لدينا ما يسمى حادثة الصدى.
فالأذن البشرية تميز صوتين قصيري الأمد إذا كان الفاصل الزمني بين سماعهما لا ينقص عن عشر الثانية، ولما كان الصوت يقطع حوالي 340 م/ث في الهواء فهو يقطع في عشر الثانية مسافة قدرها m 34، فينبغي أن تكون المسافة التي قطعها الصوت في ذهابه ورجوعه بعد الانعكاس أكبر من m 34 أي أن يقع الحاجز على بعد يزيد عن m 17 من الشخص المتكلم حتى يستطيع سماع صوت الصدى.
كما يمكن للصوت أيضا أن ينعرج متخطيا الحاجز، فإذا وقف شخصان بينهما جدار فإن
في وسعهما أن يتحدثا ، فالصوت يصل من أحدهما إلى الآخر بوساطة الانعراج
ولكن شدته تضعف نتيجة ذلك.
مصادر
Speed Of Sound Propagation ، تم الاطلاع علية بتاريخ 22/11/2020
موقع المعرفة (صوت) تم الاطلاع علية بتاريخ 22/11/2020
Speed of sound تم الاطلاع علية بتاريخ 22/11/2020
كتاب المنظومات الصوتية (المناهج السورية).