الموجات الصوتية هي عبارة عن اضطرابات تنتقل عبر الأوساط المادية كالماء والهواء والأجسام الصلبة، محملةً طاقةً تنتقل في صورة ذبذبات منتظمة. هذه الذبذبات هي التي تتيح للأذن البشرية تمييز الأصوات وتفسيرها. وتبعًا لطبيعة الوسط الذي تنتقل فيه هذه الموجات، فإنها تصنف إلى نوعين رئيسيين: الموجات الطولية والموجات المستعرضة.
الموجات الطولية، والتي تعرف أيضًا بالموجات الضغطية، تسود في الأوساط السائلة والغازية، حيث تنتقل فيها جزيئات الوسط في اتجاه مواز لاتجاه انتشار الموجة، مما يؤدي إلى تضاغطات وتخلخلات متعاقبة في الوسط. أما الموجات المستعرضة، فتظهر بشكل واضح في الأوساط الصلبة، حيث تتحرك جزيئات الوسط بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة، مما يشبه حركة موج البحر.
وتعتبر الأصوات التي تصدر عن الكائنات الحية، مثل الحبال الصوتية للإنسان، أو الأجسام المهتزة، مثل الأوتار الموسيقية، أمثلةً على الموجات الصوتية التي تمكن الكائنات الحية من التواصل والتفاعل مع محيطها. ورغم أن الموجات الصوتية غير مرئية للعين المجردة، إلا أنه يمكن ملاحظة آثارها في العديد من الظواهر الطبيعية، مثل انتشار الأمواج الصوتية في الهواء أثناء العواصف الرعدية، أو اهتزاز الأغشية الرقيقة عند صدور الأصوات.
أنواع الموجات الصوتية
هناك أنواعٌ متعددةٌ للأمواج الصوتية كما ذُكر في التعريف السابق أنّ لدينا نوعان من الأمواج الصوتية وهذان النوعان هما الأساسيان وهما:
الموجات الطولية
تتميز الموجات الطولية بتذبذب جزيئات الوسط الذي تنتشر فيه حول مواضع اتزانها، وذلك في اتجاه موازٍ لاتجاه انتشار الموجة نفسها. هذا التذبذب المتناوب يخلق مناطق من التضاغط الشديد تليها مناطق من التخلخل، وهكذا تتوالى الحلقات متسلسلة.
وتتنوع الأمثلة على الموجات الطولية، فنجد الموجات الصوتية التي تنتقل عبر الهواء أو الماء، حيث تتسبب اهتزازات مصدر الصوت في تضاغط وتخلخل جزيئات الهواء أو الماء منتجةً بذلك الموجات الصوتية التي تصل إلى أذننا.
ولكن، هل تعلم أن الموجات الكهرومغناطيسية التي تحمل الضوء والأشعة السينية وغيرها، ورغم سرعتها الهائلة وقدرتها على الانتشار في الفراغ، إلا أنها تصنف أساسًا كموجات عرضية؟ ذلك لأن المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي اللذين يتكونان منهما يتذبذبان عمودياً على اتجاه انتشار الموجة.
أما الموجات الميكانيكية، والتي تشمل معظم أنواع الموجات الطولية، فتحتاج إلى وسط مادي لانتقالها، مثل الهواء أو الماء أو الأجسام الصلبة، على عكس الموجات الكهرومغناطيسية التي تستطيع الانتشار في الفراغ.
وعند المقارنة بين الموجات الطولية والعرضية، نلاحظ اختلافًا جوهريًا في طبيعة اهتزاز جزيئات الوسط. ففي الموجات الطولية، تهتز الجزيئات ذهابًا وإيابًا في خط مستقيم، موازية لاتجاه انتشار الموجة، وهذا النوع من الاهتزاز يسهل حدوثه في الأوساط السائلة والغازية.
أما في الموجات العرضية، فتهتز الجزيئات عمودياً على اتجاه انتشار الموجة، وكأنها تموجات على سطح الماء، وهذا النوع من الاهتزاز يكون أكثر شيوعًا في الأوساط الصلبة.
الموجات المستعرضة
تتميز الموجات المستعرضة بارتباط وثيق بين جزيئات الوسط الذي تنتقل خلاله، حيث تهتز هذه الجزيئات بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة، وكأنها ترقص رقصة انسيابية إلى أعلى وأسفل حول موضعها الأصلي. هذا النوع من الحركة الموجية شائع للغاية في السوائل مثل الماء، حيث نلاحظ بوضوح اهتزاز جزيئات الماء على سطحه بشكل عمودي أثناء مرور الموجة.
ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذا النوع من الموجات لا يحدث في جميع أجزاء السائل، بل يقتصر على السطح فقط. ويعود السبب في ذلك إلى أن قوى الترابط بين جزيئات الماء في أعماق السائل تكون أقوى بكثير مما يسمح بحدوث هذا النوع من الحركة. ففي الأعماق، تتحرك الجزيئات بشكل طولي، أي في نفس اتجاه انتشار الموجة، وذلك بسبب غياب القوى التي تعيق حركتها.
وبالتالي، يمكن القول إن الموجات المستعرضة هي نتيجة للتفاعل بين قوى الترابط بين الجزيئات وحركة هذه الجزيئات بشكل عمودي على اتجاه انتشار الموجة، مما يخلق هذا التموج الساحر الذي نلاحظه في العديد من الظواهر الطبيعية.
كما يمكننا تقسيم الأمواج الصوتية حسب التردد الخاص بها وهذا التقسيم يحتوي على أنواعٍ مختلفةٍ وأهمها ثلاثة أنواعٍ وهي:
- الموجات السمعية: هذا النوع يركز على قدرة الإنسان على السمع حيث يمكنه من خلال التردد التمييز والتفاعل مع الأشياء بكل سهولةٍ والتي ينحصر ترددها من ال20 هيرتز إلى 20كيلو هيرتز.
- الموجات فوق السمعية: وهذا النوع يركز على الترددات التي تفوق قدرة الإنسان في السمع ويكون ترددها يزيد عن20 كيلوهرتز.
- الموجات دون السمعية: وهذه الموجات بعكس الموجات فوق السمعية حيث أن تردد هذه الموجات يقل عن قدرة الإنسان في السمع وإدراك الأصوات حيث تقل تردد هذه الموجات عن ال20 هيرتز.
خصائص الموجات الصوتية
هناك خمس خصائص لوصف الأمواج الصوتية وهي من أهم الخصائص التي تحدد أهميتها وهذه الخصائص هي :
- الطول الموجي للموجة الصوتية: حيث أن طول الموجة وحدةٌ كاملةٌ هو نفسه الحد الأدنى للمسافة التي تتكرر فيها الموجة الصوتية، ويُشار إلى طول الموجة بالرمز اليوناني “لامداl)” ) كما تعد المسافة بين ضغطتين متتاليتين أو نافورتين متتاليتين بطول الموجة ولكن يجب الانتباه لنقطةٍ مهمةٍ ألا وهي: أن المسافة بين مراكز الانضغاط يساوي نصف طول الموجة أيl/2 .
- السعة: ويُطلق على أقصى إزاحة لجزيئات الوسيط عن موقعها الأساسي الناتج عن مرور الموجة عبرها وتهجير جزيئاتها مؤقتًا من موقعها الأصلي، حيث أن السعة تُستخدم لقياس حجم الموجة بوحدة المتر أحيانا أو السنتيمتر ومن هنا نستنتج بأن سعة الجسم المهتز لإنتاج الموجة يساوي سعة الموجة ذاتها.
- الدور: هو الوقت المستغرق لإكمال اهتزاز واحد ويمكننا القول أيضًا أنه الوقت اللازم لإنتاج موجة أو دورة أو دورة واحدة كاملة وتنتج هذه الدورة عن طريق اهتزاز كامل الجسم الاهتزازي، كما يشار إلى وحدة قياس الفترة الزمنية بالرمز(T)وهي “الثانية”.
- التردد: وهو عدد الاهتزازات في الثانية الواحدة كما يمكننا أن نعرفه أيضًا بعدد الموجات أو الدورات الكاملة المنتجة في الثانية الواحدة، ولكن يجب أن نعلم هنا بأن تردد الموجات ثابتٌ ولا يتغير حتى عند عبوره بموادٍ مختلفةٍ ويرمز إلى تردد الموجات بالرمز “هرتز”(HZ).
- سرعة الموجة: ويُطلق على المسافة المقطوعة بواسطة موجة في ثانيةٍ واحدةٍ ووحدة القياس لسرعة الموجة في “المتر في الثانية” ويرمز ب(m/s) .
كيف تنشأ الموجات الصوتية
تنشأ الموجات الصوتية نتيجة اهتزاز أي جسم مادي، سواء كان حياً أو جامداً، حيث يؤدي هذا الاهتزاز إلى اضطراب في الجزيئات المكونة للوسط الذي ينتقل خلاله الصوت، كالهواء أو الماء. تخيل أنك ترمي حجراً في بركة ماء، فتنشأ موجات دائرية تنتشر على سطح الماء، وبنفس الطريقة، ينتقل الصوت على شكل موجات طولية تتسبب في تضاغط وتخلخل في جزيئات الوسط الذي تمر به.
وعند تحول الإشارات إلى أمواج صوتية، يحدث تغير مستمر في ضغط الهواء، حيث تتناوب مناطق الضغط العالي (التضاغط) مع مناطق الضغط المنخفض (التخلخل). هذه التغيرات في الضغط هي التي تنتقل عبر الوسط الصوتي حتى تصل إلى أذننا، حيث يتم تحويلها إلى إشارات عصبية نفسرها على أنها أصوات.
وبعبارة أخرى، يمكن تشبيه الموجة الصوتية بتموجات تنتشر في بركة هادئة، ولكن بدلاً من أن تكون هذه التموجات على سطح الماء، فهي تحدث داخل الوسط الصوتي وتنتقل في جميع الاتجاهات.
في المناطق ذات الضغط العالي، تكون جزيئات الوسط متقاربة من بعضها البعض، مما يؤدي إلى زيادة في كثافتها. أما في المناطق ذات الضغط المنخفض، فتكون الجزيئات متباعدة، مما يؤدي إلى نقصان في كثافتها. وهذه التغيرات المتكررة في الكثافة والضغط هي التي تحمل الطاقة الصوتية وتنقلها من مكان إلى آخر.
وبالتالي، فإن الصوت هو في الأساس طاقة ميكانيكية تنتقل على شكل موجات طولية عبر الأوساط المادية، وتتولد هذه الموجات نتيجة للاهتزازات التي تحدث في مصدر الصوت، ثم تنتقل عبر الوسط الصوتي حتى تصل إلى أذن المستمع.
