طبيعة الصوت وشكل انتشار الموجات الصوتية

بسم الله الرحمن الرحيم 

الصوت لا يتولد إلا نتيجة حركة ، فهو عبارة عن أحد صور الطاقة المتحولة في الطبيعة وهو ينتقل في أي وسط مادي (غازات – سوائل – مواد صلبة كالحديد) .
ينتقل الصوت خلال الأثير من خلال تحرك طاقة الموجة الصوتية في شكل مجموعة من التضاغطات والتخلخلات ، ولأن انتشار الصوت يعتمد على جزيئات المادة وجد العلماء أن سرعة انتشار الموجات الصوتية في المواد الصلبة أعلى منها في السوائل أعلى منها في الهواء على عكس المتوقع ...!! بمعنى آخر سرعة الصوت في الماء أعلى من سرعته في الهواء ، أي أن: سرعة انتشار الموجات الصوتية تعتمد على نوع الوسط أو بمعنى أدق تعتمد على كثافة الوسط ، وكلما زادت كثافة الوسط كلما قلت المسافات البينية بين جزيئاته كلما ساعد ذلك بالتبعية على انتشار الموجات الصوتية بصورة أسرع ، وتبعاً لذلك الصوت لا ينتقل في الفراغ لذا توصف أحياناً بأنها موجات تضاغطية .

كل موجة صوتية لها ما يسمى بالتردد أو الـ frequency وهو عبارة عن عدد الاهتزازات أو الذبذبات التي تحدثها الموجة الصوتية في الثانية الواحدة هذه الذبذبات تقدر بالهرتز . 

وجد العلماء أيضاً أن الأذن البشرية تستطيع سماع الأصوات التي لها تردد من 20 هرتز إلى 20 كيلوهرتز فقط ، ما زاد عن 20 كيلوهرتز نسميه الموجات فوق الصوتية وما قل عن ذلك نسميه الموجات تحت الصوتية .

ومن التطبيقات المشهورة جداً للموجات فوق الصوتية في الحياة العادية ما يستخدمه الأطباء للكشف عن الأعضاء الداخلية للإنسان ( كالكشف عن الأجنة وعن الأورام الداخلية ) ، ومن تطبيقاتها في الصناعة استخدام تلك الموجات لقياس سمك الحديد في المنشآت التي لا يمكن الوصول إليها كقياس سمك حديد بدن السفن مثلاً ، كما يمكن استخدامها بنفس أسلوب الكشف عن الأجنة للكشف عن اللحامات الداخلية لمنشآت لا يمكن تحريكها كمنصات البترول البحرية . 

سرعة الصوت في الماء : 

تبلغ سرعة انتشار الصوت في الهواء حوالي 343 متر/ثانية إذا كان الهواء جافاً ودرجة حرارته 20 درجة مئوية ، بينما تبلغ سرعة انتشار الموجات الصوتية في الماء حوالي 1500 متر/ثانية ، ونقول حوالي لأن سرعة الصوت في الماء تتأثر بثلاثة عوامل : درجة حرارة الماء - الملوحة - العمق أو الضغط .

أولاً -  الحرارة : حرارة المياه السطحية دائماً أعلى من الطبقة السفلية حيث تتعرض تلك الطبقة لنفاذ أشعة الشمس خلالها والتي ترفع درجة حرارتها نسبياً ، وتختلف سمك تلك الطبقة السطحية تبعاً لموقعها الجغرافي ، وبشكل عام تقل درجة الحرارة بالاتجاه لأسفل أي بزيادة العمق ، وفي الأعماق الكبيرة تصبح الحرارة ثابتة إلى حد كبيرعند درجة 4 درجة مئوية ، وتقول الأبحاث أن ارتفاع درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مئوية يسبب زيادة سرعة الصوت بمقدار 3 متر/ثانية ، والسبب هو أن  زيادة درجة حرارة الماء تؤدي إلى تمدد ضئيل لجزيئات الماء مما يؤدي إلى أن يصبح الوسط المائع – وهو الماء – أكثر مرونة ، مما يقلل من كمية الطاقة المهدورة للموجة .
ثانياً - العمق أو الضغط : الضغط يؤثر أيضاً على سرعة الصوت ويقصد به الضغط الذي يحدثه وزن عمود الماء ، وهذا يعني أننا يمكن أن نستخدم العمق للتعبيرعن الضغط ، ومن الأبحاث أيضاً نجد أنه كلما زاد الضغط 10 ضغط جوى (تساوى 100 مترعمق) زادت سرعة الصوت في الماء بمقدار1.7 متر/ثانية ، أي أنها علاقة طردية (كلما زاد العمق زادت سرعة انتشار الصوت في الماء) .
ثالثاً - الملوحة : وهي تقاس بكمية الأملاح المذابة مقدرة بالجرام في وحدة الحجوم من ماء البحر مقدرة بالليترات ، والمتوسط العام للملوحة في البحار والمحيطات حوالي 35 جزء في الألف ، والملوحة تتغير تبعاً لعوامل كثيرة أهمها كمية الماء العذب المنصرف من مصبات الأنهار وخصوصاً في البحار شبه المغلقة ، وعملية تجمد الماء في القطبين ( كتل الجليد المتجمد تحتوي على الماء العذب ) ، وتأثيرعملية التبخر بفعل أشعة الشمس في المناطق المدارية على طبقة المياه السطحية ، وأيضاً وجد العلماء أنه كلما زادت الملوحة بمقدار جزء واحد في الألف كلما زادت سرعة الصوت في الماء بمقدار 1.3 متر/ثانية (علاقة طردية أيضاً ) .

وتلك العوامل الثلاثة من الأهمية بمكان في قياس العمق بالصوت لأن المساح حين يقيس العمق ( مسافة ) يستخدم قانون ( المسافة = السرعة × الزمن ) ، ولما كان قياس الزمن ممكناً ودقيقاً فكيف يفترض ثبات سرعة الصوت في منطقة المسح وهو يعلم أنها متغير حسب العمق والحرارة والملوحة ؟ معنى ذلك أن القراءات سيكون بعضها خاطئ إن لم يستخدم السرعة الحقيقة للصوت والتي تتغير دوماً فكيف نستطيع معرفة ذلك ؟ نستطيع معرفة ذلك باستخدام جهاز يسمى ( C.T.D ) :  
( conductivity , temperature & depth detector ) هذا الجهاز به ترمومتر حساس لقياس درجة حرارة الماء وبه خلية كهربائية تقيس موصلية ماء البحر للتيار الكهربائي ومنها يتم استنتاج درجة الملوحة وأخيراً به مقياس للعمق ، وهكذا يعطيك هذا الجهاز الثلاث متغيرات في خطوة واحدة .

خصائص انتشار الصوت في الماء :
عندما ينتشر الصوت في الماء تفقد الموجة الصوتية جزء من طاقتها ، وذلك لأن عملية نقل التضاغطات عبر جزيئات الماء لا تتم بصورة كاملة ، فبعض من طاقة الموجة يتحول إلى حرارة متبددة ، هذا الفقد في الطاقة يسمى التضاؤل . يتوقف مستوى التضاؤل في طاقة الموجة الصوتية على التردد ، فالموجة ذات التردد العالي تفقد طاقتها بسرعة بينما الموجات ذات التردد المنخفض تستطيع الوصول لقاع المحيط السحيق على أعماق وصلت حتى 11000 متر .

من المفيد استخدام الموجات الصوتية في الماء ( لقياس العمق وللاستشعارعن بعد كأجهزة كشف العوائق بالسونار في الغواصات ) ، حيث أنها تتميز بقدرتها على قطع مئات الكيلومترات في الماء بدون فقد يذكر في طاقتها ، على عكس الضوء و موجات الراديو ( الموجات الكهرومغناطيسية ) والتي تفقد تقريباً كل طاقتها بعد أمتار قليلة في الماء .

عندما تصطدم النبضة الصوتية قاع البحر ( صخري أو رملي الخ ) فإن الجزء الأول منها ينكسر ويكمل انتشاره في الوسط الجديد ، بينما الجزء الثاني من النبضة ينعكس وتكون زاوية الإنعكاس مساوية لزاوية السقوط ، والجزء الثالث والباقي من طاقة النبضة يحدث له تشتت وهو انعكاس نتيجة أن قاع البحر ليس مستوي ولا أملس ولا متجانس . والسؤال هنا كم تكون كمية الطاقة في كل جزء من الأجزاء الثلاث السابقة ؟ هذا يعتمد على نوع القاع وعلى زاوية سقوط النبضة الأصلية .
والنبضة المرتدة من القاع تسمى echo أو صدى وهي تحتفظ بنفس خصائص الموجة الأم من حيث التردد .

الرجاء مشاركة الموضوع لتعم الفائدة

فيسبوك جوجل+ تويتر