تعريف الصوت عند علماء الفيزياء
موجات الصوت
ظاهرة فيزيائية تثير حاسة السمع، و يختلف معدل السمع بين الكائنات الحية المختلفة . فيقع السمع عند الادميين عندما تصل ذبذبات ذات تردد يقع بين (15) و (20.000) هيرتز الي الاذن الداخلية . و تصل هذة الذبذبات الي الاذن الداخلية عندما تنتقل عبر الهواء. و يطلق علماء الفيزياء مصطلح الصوت علي الذبذبات المماثلة التي تحدث فالسوائل و المواد الصلبة . اما الاصوات التي يزيد ترددها علي (20.000) هيرتز فتعرف بالموجات فوق الصوتية .
وينتقل الصوت طوليا او عرضيا. و فكلتا الحالتين، تنتقل الطاقة الموجودة فحركة موجة الصوت عبر الوسيط الناقل بينما لا يتحرك اي جزء من ذلك الوسيط الناقل نفسه. و مثال علي ذلك، اذا ربط حبل بسارية من احد طرفية بعدها جذب الطرف الثاني بحيث يصبح مشدودا بعدها هزة مرة و احدة ، عندئذ سوف تنتقل موجة من الحبل الي السارية بعدها تنعكس و ترجع الي اليد. و لا يتحرك اي جزء من الحبل طوليا باتجاة السارية و انما يتحرك جميع جزء تال من الحبل عرضيا.
ويسمي ذلك النوع من حركة الامواج “الموجة العرضية “. و علي نفس النحو، اذا القيت صخرة فبركة مياه، فسوف تتحرك سلسلة من الموجات العرضية من نقطة التاثر. و اذا كان هناك سدادة من الفلين طافية بالقرب من نقطة التاثر، فانها سوف تطفو و تنغمس مما يعنى انها سوف تتحرك عرضيا باتجاة حركة الموجة و لكنها ستتحرك طوليا حركة بسيطة جدا.
ومن ناحية اخرى، فان الموجة الصوتية هى موجة طولية . و حيث ان طاقة حركة الموجة تنتشر للخارج من مركز الاضطراب، فان جزيئات الهواء المفردة التي تحمل الصوت تتحرك جيئة و ذهابا بنفس اتجاة حركة الموجة . و من ثم، فان الموجة الصوتية هى عبارة عن سلسلة من الضغوط و الخلخلات المتناوبة فالهواء، حيث يمرر جميع جزيء مفرد الطاقة للجزيئات المجاورة ، و لكن بعد مرور الموجة الصوتية ، يظل جميع جزيء فنفس موقعه.
ويمكن و صف اي صوت بسيط و صفا كاملا عن طريق تحديد ثلاث خصائص: درجة الصوت و ارتفاع الصوت (او كثافته) و جودة الصوت. و تتوافق هذة الخصائص تماما مع ثلاث خصائص فيزيائية : التردد و السعة و نمط الموجة . اما الضوضاء فهى عبارة عن صوت معقد او خليط من الكثير من الترددات المختلفة لا يوجد تناغم صوتى بينها.
نبذة تاريخية
لم تكن هنالك معلومات و اضحة عن تعريف الصوت فالتراث القديم. و كان المعمارى الرومانى ما ركوس بوليو الذي عاش فالقرن الاول قبل الميلاد ربما توصل الي بعض الملاحظات الهامة عن ذلك المقال و بعض التخمينات الذكية حول الصدي و التشوش. و ممكن القول ان اول محاولة علمية لوصف الصوت تمت فالقرن الرابع الهجرى / العاشر الميلادى علي يد علماء اللغة المسلمين. فقد و صف الصوتيون المسلمون جهاز النطق عند الانسان و اسموة (الة النطق) و بحثوا فالعمليات الفسيولوجية و الميكانيكية التي تتم عند نطق الاصوات. اما من ناحية العمليات الفسيولوجية و الميكانيكية ، فقد تحدثوا عن خروج الهواء من الرئتين ما را بالحنجرة و الفم و الانف و وصفوا حركة اللسان و الفك و الشفتين فقال ابن جني: “اعلم ان الصوت عرض يظهر مع النفس مستطيلا متصلا حتي يعرض له فالحلق و الفم و الشفتين مقاطع تثنية عن امتدادة و استطالته، فيسمي المقطع اينما عرض له حرفا و تختلف اجراس الحروف بحسب اختلاف مقاطعها”.
وفى القرن الرابع الهجرى / العاشر الميلادى و رد اول تعريف علمى للصوت فيقول اخوان الصفا فرسائلهم : “ان جميع جسمين تصادما برفق و لين لا تسمع لهما صوتا، لان الهواء ينسل من بينهما قليلا قليلا، فلا يحدث صوت، و انما يحدث الصوت من تصادم الاجسام، متي كانت صدمها بشدة و سرعة ، لان الهواء عند هذا يندفع مفاجاة ، و يتموج بحركتة الي الجهات الست بسرعة ، فيحدث الصوت، و يسمع”.
وقد عزا ابن سينا فكتابة الشفاء حدوث الصوت الي اهتزاز الهواء، و ذلك يحدث عند ضرب الاجسام بعضها بعضا و ذلك ما اسماة بالقرع او عند انتزاع جسم من جسم اخر، و ذلك ما سماة بالقلع، و فكلتا الحالتين يحدث الصوت عن اهتزاز الهواء ففى حالة القرع ينضغط الهواء، فيطرد فكل الاتجاهات، و فحالة القلع يحدث فراغ فمكان الجسم المنتزع، فياتى الهواء بسرعة ليحل محله.
ويقسم اخوان الصفا الاصوات الي نوعيات شتي بحسب الدلالة و الطريقة و الكمية . فاما ما هو بحسب الدلالة ، فيقسمونها الي قسمين: مفهومة و غير مفهومة . “فالمفهومة هى الاصوات الحيوانية ، و غير المفهومة اصوات سائر الاجسام كالحجر و المدر و سائر المعدنيات. و الحيوانات كذلك علي ضربين: منطقية و غير منطقية . فغير المنطقية هى اصوات الحيوانات غير الناطقة ، و هى نغمات تسمي اصواتا و لا تسمي منطقا لان النطق لا يصبح الا فصوت يظهر من مخرج ممكن تقطيعة بالحروف التي اذا خرجت عن صفة الحروف، امكن اللسان الصحيح نظمها و ترتيبها و وزنها، فتخرج مفهومة باللغة المتعارفة بين اهلها، فيصبح بذلك النطق الامر و النهى و الاخذ و الاعطاء و البيع و الشراء و التوكيل و ما شاكل هذا من الامور المخصوصة بالانسان دون الحيوان. فهذا فرق ما بين الصوت و النطق.
وفى موضع احدث ذكروا: “اعلم يا اخى ان الاصوات نوعان: حيوانية و غير حيوانية ؛ و غير الحيوانية كذلك نوعان: طبيعية و الية . فالطبيعية هى كصوت الحجر و الحديد و الخشب و الرعد و الريح و سائر الاجسام التي لا روح بها من الجمادات، و الالية كصوت الطبل و البوق و الزمر و الاوتار و ما شاكلها”.
فاما مخارجها من سائر الحيوان فانها من الرئة الي الصدر، بعدها الي الحلق، بعدها الي الفم يظهر من الفم شكل علي قدر عظم الحيوان و قوة رئتة و سعة شدقه، و كلما اتسع الحلقوم و انفرج الفكان و عظمت الرئة ، زاد صوت هذا الحيوان علي قدر قوتة و ضعفه. و اما الاصوات الحادثة من الحيوان الذي لا رئة له كالزنانير و الجنادب و الصرصر و الجدجد و ما اشبة هذا من الحيوانات، فانة يستقبل الهواء ناشرا جناحيه، فاتحا فاه، و يصدم الهواء، فيحدث منة طنين و رنين يشبة صوتا. و اما الحيوان الاخرس كالحيات و الديدان و ما يجرى ذلك المجرى، فانة لا رئة له، و ما لا رئة له لا صوت له”.
واما الحيوان الانسى فاصواتة علي نوعين: دالة و غير دالة . فاما غير الدالة فهى صوت لا هجاء له و لا يتقطع بحروف مميزة يفهم منها شيء كالبكاء و الضحك و السعال و الانين و ما اشبة ذلك. و اما الدالة فهى كالكلام و الاقاويل التي لها هجاء فاى لغة كانت و باى لفظ قيلت”.
اما من جهة الطريقة فيقسم اخوان الصفا الاصوات الي ثمانية نوعيات، جميع نوعين منها متقابلان من جنس المضاف و هم “العظيم و الصغير و السريع و البطيء و الحاد و الغليظ و الجهير و الخفيف. فاما العظيم و الصغير من الاصوات فباضافة بعضها الي بعض، و المثال فذلك اصوات الطبول، و هذا ان اصوات طبول المواكب، اذا اضيفت الي اصوات طبول المخانيث، كانت عظيمة ، و اذا اضيفت الي اصوات الرعد و الصواعق كانت صغار . و الكوس هو الطبل العظيم يضرب فثغور خراسان عند النفير يسمع صوتة من فراسخ. فعلي ذلك المثال يعتبر عظم الاصوات و صغرها باضافة بعضها الي بعض. و اما السريع و البطيء من الاصوات باضافة بعضها الي غيرها، و المثال فذلك اصوات كوذينات القصارين و مطارق الحدادين فانها سريعة بالاضافة اليها، و اما بالاضافة الي اصوات مجاديف الملاحين فهى سريعة بالاضافة الي دق الرزازين و الجصاصين، و هى بطيئة بالاضافة اليها، و اما بالاضافة الي اصوات مجاديف الملاحين فهى سريعة . و علي ذلك المثال تعتبر سرعة الاصوات و بطؤها باضافة بعضها الي بعض، و اما الحاد و الغليظ من الاصوات باضافة بعضها الي بعض فهى كاصوات نقرات الزير و حدته، بالاضافة الي نقرات المثنى، و المثني الي المثلث، و المثلث الي البم ، فانها تكون حادة . فاما بالعكس فان صوت البم بالاضافة الي المثلث، و المثلث الي المثنى، و المثني الي الزير فغليظة . و من و جة احدث كذلك فان صوت جميع و تر مطلقا غليظ بالاضافة الي مزمومة اي مزموم كان. فعلي ذلك القياس تعتبر حدة الاصوات و غلظها باضافة بعضها الي بعض.”
ويقسم اخوان الصفا الاصوات من جهة الكمية الي نوعين، متصلة و غير متصلة . “فالمنفصلة هى التي بين ازمان حركة نقراتها زمان سكون محسوس، كنقرات الاوتار و ايقاعات القضبان. و اما المتصلة من الاصوات فهى كاصوات النايات و الدبادب و الدواليب و النواعير و ما شاكلها. و الاصوات المتصلة تنقسم نوعين: حادة و غليظة ، فما كان من النايات و المزامير اوسع تجويفا و ثقبا، كان صوتة اغلظ؛ و ما كان اضيق تجويفا و ثقبا، كان صوتة احد. و من جهة اخري كذلك ما كان من الثقب الي موضع النفخ اقرب، كانت نغمتة احد، و ما كان ابعد، كان اغلظ.”
شدة الصوت
لقد تطرق العلماء المسلمون لتعريف شدة الصوت فيذكر اخوان الصفا: “والاجسام الكبار العظام اذا تصادمت يصبح اصطدامها اعظم من اصوات ما دونها، لان تموج هوائها اكثر. و جميع جسمين من جوهر و احد، مقدارهما و احد و شكلهما و احد، اذا تصادما معا، فان صوتيهما يكونان متساويين. فان كان املس فان صوتيهما يكونان املس من السطوح المشتركة ، و الهواء المشترك بينهما املس. و الاجسام الصلبة المجوفة كالاوانى و غيرها و الطرجهارات اذا نقرت طنت زمانا طويلا، لان الهواء يتردد فجوفها و يصدم فحافاتها، و يتموج فاقطارها، و ما كان منها اوسع كان صوتة اعظم، لان الهواء يتموج بها و يصدم فمرورة مسافة بعيدة . و الحيوانات ال كبار الرئة ، الطوال الحلاقيم، الواسعة المناخر و الاشداق تكون جهيرة الاصوات، لانها تستنشق هواء كثيرا، و ترسلة بشدة . فقد تبى ن بما ذكرنا ان علة عظم الصوت انما هو بحسب عظم الجسم المصوت و شدة صدمة الهواء، و كثرة تموجة فالجهات. و ان اعظم الاصوات صوت الرعد.
تمييز الصوت
يشير اخوان الصفا فتمييز الصوت الي ما نصه: “وكل هذة الاصوات مفهومها و غير مفهومها، حيوانها و غير حيوانها، انما هى قرع يحدث فالهواء من تصادم الاجرام و عصر حلقوم الحيوان. و هذا ان الهواء، لشدة لطافتة و صفاء جوهرة و سرعة حركة اجزائه، يتخلل الاجسام كلها و يسرى بها و يصل اليها و يحرك بعضها الي بعض. فاذا صدم الاجسام كلها و يسرى بها و يصل اليها و يحرك بعضها الي بعض. فاذا صدم جسم جسما، انسل هذا الهواء من بينهما، و تدافع و تموج الي كل الجهات، و حدث من حركتة شكل كروى يتسع كما تتسع القارورة من نفخ الزجاج. و كلما اتسع الشكل، ضعفت قوة هذا الصوت الي ان يسكن. و ايضا اذا رميت فالماء الهادىء الواقف فمكان و اسع حجرا، فيحدث فذلك الماء دائرة من موضع و قع الحجر، فلا تزال تتسع فوق سطح الماء و تتموج الي سائر الجهات. و كلما اتسعت ضعفت حركتها حتي تتلاشي و تذهب. فمن كان حاضرا فذلك الموضع او بالقرب منة من الحيوان، سمع هذا الصوت، فبلغ هذا التموج الذي يجرى فالهواء الي مسامعة و دخل صماخه، و تحرك الهواء المستقر فعمق الاذنين بحسب القوة السامعة بذلك التموج و الحركة التي تنتهى الي مؤخر الدماغ. بعدها يقف فلا يصبح له مخرج، فيؤدية الي الدماغ، بعدها يؤدية الدماغ الي القلب، فيفهم القلب من هذة الحاسة ما ادتة الية من هذا الحادث. فان كان صوتا مفهوما يدل علي معنى، توجهت المعرفة بذلك؛ و ان كان غير مفهوم، فانة لا بد ان يستدل بصفاء جوهرة علي هذا الصوت، و من اي جوهر حدث، و عن اي حركة عرض، و هو يستدل علي هذا من ما هية الصوت و طريقة التموج و القرع و الحركة الواصلة الي حاسة السمع. و مثال هذا طنين الطاس، فانة اذا سمعة الانسان قال: ذلك طنين الطاس حدث من قرع شيء احدث اصابه، اما من جهة حيوان او حدوث شيء و قع علية من غير قصد و لا تعمد”.
واما حاسة السمع فانها لا تكذب و قلما تخطئ، و هذا لانة ليس بينها و بين محسوساتها الا و اسطة و احدة و هى الهواء، و انما يصبح خطؤها بحسب غلظ الهواء و رقته، و هذا انه قد كانت الريح عاصفة و الهواء متحركا حركة شديدة ، فيصوت المصوت فمكان قريب من المسامع، فلا يسمع من شدة حركة الهواء و هيجانه، فتكون حركة هذا الصوت يسيرة فش دة حركة الهواء و هيجانه، فيضعف عن الوصول الي الحاسة السامعة . و اذا كان الهواء فمكان ممكن ان يتصل بة هذا التموج و الحركة الحادثة فالهواء. فاما اذا كانت المسافة بعيدة فانها لا تدركة و تتلاشي تلك الحركة و تنفد قبل و صولها اليها”.
واعلم ان جميع صوت له نغمة و صفية و هيئة روحانية ، خلاف صوت اخر، و ان الهواء من شرف جوهرة و لطافة عنصرة يحمل جميع صوت بهيئتة و صفته، و يخفضها لئلا يختلط بعضها ببعض، فيفسد هيئتها، الي ان يبلغها الي اقصي مدي غاياتها عند القوة السامعة ، لتؤديها الي القوة المتخيلة التي مسكنها مقدم الدماغ، و هذا تقدير العزيز الحكيم (الذى جعل لكم السمع و الابصار و الافئدة ، قليلا ما تشكرون).
التطبيقات العملية
ان اول تطبيق علمى لظاهرة الصوت كان فالمبانى او ما يعرف حديثا بعلم الصوت المعماري، الا و هو العلم الذي يتعامل مع انشاء مناطق مغلقة من اجل تحسين الاستماع الي الحديث او الموسيقى، يدين باصولة الي العلماء المسلمين. و ربما استعمل التقنيون المسلمون خاصية تركيز الصوت فاغراض البناء و العمارة ، و خاصة المساجد الجامعة ال كبار لنقل و تقوية صوت الخطيب و الامام ايام الجمع و الاعياد. و يعد مسجد اصفهان القديم، و مسجد العادلية فحلب ، و بعض مساجد بغداد القديمة ، نموذجا لتلك التقنية . فالمساجد مصممة سقوفها و جدرانها علي شكل سطوح مفرعة موزعة فزوايا المسجد بكيفية دقائق تضمن توزيع الصوت بانتظام علي كل الارجاء. كما راعت تقنية القباب فالمساجد كذلك هذا فتصميماتها فالعصور الاسلامية المتاخرة .
ولكن اول من عالج الجوانب العلمية لهذا المقال معالجة شاملة و دقائق كان عالم الفيزياء الامريكى جوزيف هنرى عام 1272ة / 1856 م بينما طور هذة الجوانب عالم الفيزياء الامريكى و الاس سابين عام 1240ة / 1900 م. و يجب ان يؤخذ التصميم الصوتى فالاعتبار انه بالاضافة الي الخصوصيات الفسيولوجية للاذن، فان هنالك خصائص نفسية معينة تجعل عملية السمع عملية معقدة . علي سبيل المثال، فالاصوات غير المالوفة تبدو غير طبيعية . فالصوت الذي يصدر فغرفة عادية يتحسن الي حد ما بالصدي الذي ينتج من جراء الانعاكواب الصادرة من الجدران و الاثاث، و لهذا السبب، فانة يجب ان يتسم الاستديو الاذاعى بدرجة عادية من الصدي لضمان صدور الصو ت بكيفية طبيعية . و للحصول علي اروع جودة سمعية ، تصمم الغرف بحيث تصدر انعاكواب كافية لخروج الصوت الطبيعى بدون احداث صدي لترددات معينة بكيفية غير طبيعية ، و بدون حدوث اية تاثيرات من جراء التشوش. و يسمي الوقت المطلوب لانقاص الصوت الي نسبة و احد فالمليون من كثافتة الاصلية “وقت الارتداد”. ان و قت الارتداد ذلك يحسن من التاثيرات الصوتية ، حيث ممكن الاستماع لصوت عال مدة ثانية = او ثانيتين بعد توقف الصوت فقاعة الاستماع. اما فالمنزل، فيصبح و قت الارتداد مطلوبا و لكنة يصبح اقصر و لكنة ما زال ملحوظا. و بغرض تحسين الصدى، فان لدي المهندسين المعماريين نوعين من الادوات: ادوات ممتصة للصوت و ادوات عاكسة للصوت حيث يستعملها فتبطين اسطح السقوف و الجدران و الارضيات. و توجد بعض المواد الناعمة الملمس كالفلين و اللباد و هى تمتص معظم الصوت الذي يصطدم فيها علي الرغم من انها ربما تعكس بعض الاصوات ذات التردد البطيء. اما المواد الصلبة كالحجارة و المعادن فتعكس معظم الصوت الذي يصطدم بها. فقد تكون الاصوات الصادرة من قاعة اجتماعات كبار مختلفة اذا كانت الحجرة ممتلئة او فارغة ، حيث تعكس الكراسى الفارغة الصوت بينما يمتص الحاضرون الصوت.
وفى معظم الحالات، سوف تكون الاصوات الصادرة من حجرة ما علي مستوي مرض اذا كان يوجد هناك توازن مناسب بين المواد الممتصة للصوت و تلك العاكسة له. و ربما يحدث صدي مزعج فحجرة اذا كان السقف او الحائط مقعرا و عاكسا للصوت بدرجة عالية ، و فهذة الحالة ، ربما يتركز الصوت فنقطة معينة مما يجعل الاصوات الصادرة سيئة فهذة النقطة من الحجرة . و علي نفس المنوال، فان الممر الضيق بين جدران متوازية عاكسة ربما يحجز الصوت من جراء الانعكاس المتكرر مما يسبب صدي مزعجا حتي و لو كان الامتصاص الكلى كافيا. كما يجب توجية الاهتمام نحو التخلص من التشوش. حيث ينتج كهذا التشوش بسبب الفرق فالمسافات التي يعبرها الصوت المباشر و الصوت المعكوس مما يؤدى الي ظهور ما يعرف ب “البقع الميتة “، حيث تلغي فيها نوعيات معينة من التردد. كما ان صدور الصوت من اثناء ميكروفون يتطلب التخلص من جميع من الصدي و التشوش.
