الصوت

الصوت  Sound

 
 
 
 
 
  خواص الصوت
    إن الأمواج إما أمواج عرضية  transversal waves أو أمواج طولية longitudinal waves والأمواج المستعرضة يكون فيها اهتزاز الموجة عمودي  على اتجاه انتشار الموجة بينما الأمواج الطولية يكون فيها اهتزاز الموجة في نفس اتجاه انتشار الموجة، ويعتبر الصوت هو أفضل مثال على الأمواج الطولية.
 
 
موجة طولية 
موجة مستعرضة
 
تنتقل أمواج الصوت عبر الوسط من خلال الاضطراب الذي يحدثه الصوت في جزيئات الوسط فالصوت ينتقل بواسطة الهواء عن طريق التضاغط والتخلخل في جزيئات الهواء وعندما تصل الأمواج الصوتية إلى طبلة الأذن نسمع الصوت.  كما إن الصوت ينتقل عبر مواد أخرى غير الهواء.  فالسوائل تنقل الصوت أيضا حيث يمكننا تحت الماء أن نسمع صوت ارتطام حجرين تحت سطح الماء كذلك نستطيع سماع الصوت المنتقل عبر  المواد الصلبة فنستطيع سماع صوت القطار القادم عند وضع الأذن على قضبان السكة الحديد. والسماع عبر المواد المختلفة يتم بنفس الطريقة حيث تنتقل الموجات الصوتية الطولية من خلال الاضطراب المنتشر في نفس اتجاه الموجة خلال المادة للأذن. 
 
 
 
نستنتج مما سبق إن الصوت يحتاج إلى وسط مادي لينتقل فيه.
 

      سرعة الصوت Speed of sound
تختلف سرعة الصوت باختلاف المواد التي ينتقل خلالها. فسرعة الصوت تعتمد على المادة ودرجة الحرارة، فسرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة 0oC تساوي 331m/s ووجد أن سرعة الصوت تزداد لنفس المادة بزيادة درجة الحرارة بمعدل 0.6m/s لكل ارتفاع في درجة الحرارة مقداره درجة مئوية. أي إن سرعة الصوت في الهواء عند أي درجة حرارة يحسب على النحو التالي:
v = (331 + 0.60 T) m/s 
 
وعليه فإن سرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة  20oC
 
v = [331 + (0.60 * 20)] m/s = 343 m/s
 
تحسب سرعة الصوت للمواد المختلفة من خلال المعادلة التالية:
 
 
حيث B هو معامل المرونة elastic modulus و هي ? الكثافة density وبالتالي تكون سرعة الصوت في وسط من الهيليوم أسرع من الصوت في الهواء لأن كثافة الهيليوم أقل من الهواء ونستنتج أيضا من المعادلة السابقة أن سرعة الصوت في المواد الصلبة أسرع  من سرعة الصوت في لمواد السائلة والمواد الغازية لأن معامل المرونة للمواد الصلبة أكبر من المواد الأخرى، وفي الجدول التالي يمكنك أن تتعرف على سرعة الصوت في مختلف المواد.
 
Gases الغازات 
Material v (m/s)
Hydrogen (0°C) 1286
Helium (0°C) 972
Air (20°C) 343
Air (0°C) 331
Liquids at 25°C  السوائل
Material v (m/s)
Glycerol 1904
Sea water 1533
Water 1493
Mercury 1450
Kerosene 1324
Methyl alcohol 1143
Carbon tetrachloride 926
Solids  المواد الصلبة
Material v (m/s)
Diamond 12000
Pyrex glass 5640
Iron 5130
Aluminum 5100
Brass 4700
Copper 3560
Gold 3240
Lucite 2680
Lead 1322
Rubber 1600
 
vsolids > vliquids > vgases
 
بالمقارنة بين سرعات الصوت في المواد المختلفة وسرعة الضوء التي تبلغ 300000000m/s نستنتج سبب سماعنا لصوت الرعد يأتي بعد ضوء البرق ويمكن من معرفة الفارق الزمني بين رؤية البرق وسماع الرعد تقدير بعد مصدر الصوت منا فكل فارق زمني قدره خمس ثواني واحدة يعني ان المصدر يبعد 1600m.
 
     تردد الصوت وشدته sound frequency and loudness
يميز الإنسان الصوت من خلال تردده وشدته وكلا من التردد والشدة موضوعان مختلفان، فتردد الصوت frequency يمكن أن يكون مرتفع مثل صوت الكمان الموسيقي الذي يصدر أصوات ذات ترددات عالية أو أن يكون التردد منخفض مثل الأصوات الصادرة من الطبلة. والأذن البشرية تستطيع سماع الأصوات التي يقع ترددها في المدى من 20Hz إلى 20000Hz (التردد يقاس بوحدة الهيرتز وهي عدد الذبذبات في الثانية الواحدة) ويختلف هذا المدى من شخص لآخر .
الترددات التي تقل عن 20Hz تسمى انفراسونيك infrasonic بينما الترددات التي تفوق 200000Hz تسمى التراسونيك ultrasonic والأجسام التي تنطلق بسرعة تفوق سرعة الصوت تسمى سوبرسونيك supersonic.
 
الأصوات التي تكون في المدى infrasonic مثل الأصوات التي تصدر من الزلازل والبراكين والمعدات الثقيلة يكون لها آثار مدمرة على حاسة السمع للإنسان.
 
أما بالنسبة لشدة الصوت loudness فهي تمثل الطاقة الصوتية لكل ثانية لكل وحدة مساحة. وتتناسب شدة الصوت طردياً مع مربع سعة الموجة الصوتية (العلاقة بين سعة الموجة amplitude والشدة intensity). ولشدة الصوت وحدة هي واط لكل وحدة مساحة لأن الطاقة لكل ثانية لها وحدة جول لكل ثانية الذي يسمى بالواط. 
 
 
 
unit of loudness = W/m2
 
أن الحد الحرج للسماع يسمى threshold of hearing يساوي 1x10-12W/m2.