عندما يسمع معظم الناس كلمة موجة، فإنهم يتخيلون المحيط - أمواج متلاطمة، وأمواج متلاطمة، وربما حتى راكب أمواج يركب الأمواج بطريقة مذهلة. ولكن في عالم الموسيقى والصوت، تعمل الأمواج بشكل مختلف قليلاً.

هذا لا يعني أن أمواج المحيطات والموجات الصوتية ليس بينهما الكثير من القواسم المشتركة. فكلاهما يتحركان عبر الفضاء ويحملان الطاقة ويمكن قياسهما من حيث حجمهما وسرعتهما.

بالطبع، الفرق الكبير هو أن موجات المحيطات تنتقل عبر الماء، بينما تتحرك الموجات الصوتية عبر الهواء (أو أيًا كانت المادة التي تمر بها). وبينما يسهل رؤية حركة موجات المحيط، فإن الموجات الصوتية أكثر تعقيدًا بعض الشيء، حيث تعمل في المجال المجهري.

إن معرفة كيفية تصرف هذه الموجات يمكن أن تكون مفيدة للغاية لأي شخص يعمل مع الصوت، سواء كنت مهندس صوت أو منشئ استوديو أو مطور معالجة صوتية. لذا دعنا نوضح كل ذلك بأبسط طريقة ممكنة!

ما هي الموجة الصوتية؟

إن الموجة الصوتية في جوهرها هي مجرد اهتزاز يتحرك في الهواء (أو الماء، أو مادة صلبة. الصوت ليس صعب الإرضاء). إنه السبب الذي يجعلنا نسمع كل شيء من الموسيقى إلى الأصوات إلى الأشياء التي تحدث في الليل!

نحن نصف الموجات الصوتية بناءً على بعض السمات الرئيسية، بما في ذلك مدى سرعة حركتها (التردد)، وحجمها (السعة)، وكيفية تغيرها بمرور الوقت. لكن قبل أن ندخل في كل ذلك، من المهم أن نفهم أن الموجات الصوتية هي نوع خاص من الموجات يسمى الموجات الطولية.

على عكس موجات المحيط، التي تتحرك لأعلى ولأسفل أثناء تحركها للأمام، تدفع الموجة الطولية الهواء وتسحبه في نفس اتجاه تحركها.

لتخيل الطريقة التي تعمل بها الموجة الطولية، فكر في صف طويل من الأشخاص الذين يقفون جميعًا جنبًا إلى جنب. إذا مال الشخص الأول إلى الأمام واصطدم بالشخص الذي يليه، ثم فعل هذا الشخص نفس الشيء مع الشخص الذي يليه، فستحصل على تفاعل متسلسل، تمامًا مثل تفاعل جزيئات الهواء مع الصوت. هذه الحركة ذهاباً وإياباً هي السبب في أن الصوت غالباً ما يسمى موجة ضغط.

والآن، عندما نتحدث عن الموجات الصوتية في الموسيقى والحياة اليومية، فإننا نتحدث في الحقيقة عن موجات الضغط الصوتي. تقع هذه الموجات الصوتية ضمن نطاق السمع البشري، والذي يتراوح بين 20 هرتز و20,000 هرتز تقريبًا. تحت الأصوات التي تدركها الأذن البشرية هو النطاق تحت الصوتي، وهو منخفض جدًا بالنسبة لنا لسماعه ولكنه مفيد لأشياء مثل اكتشاف الزلازل وتتبع الفيلة (نعم، لقد قرأت ذلك بشكل صحيح). وفوق نطاق الأذن البشرية توجد الموجات فوق الصوتية، والتي نستخدمها في كل شيء من التصوير الطبي إلى تنظيف المجوهرات. سنعود إليها بعد قليل.

وبعيداً عن الموسيقى، هناك العديد من الصناعات التي تلعب فيها الموجات الصوتية دوراً كبيراً. فهي تقوم بكل شيء بدءًا من مساعدة الأطباء على الرؤية داخل جسم الإنسان إلى السماح للغواصات بالإبحار تحت الماء. لكن بالنسبة لنا كموسيقيين ومنتجين، فإن هذه الموجات هي أساس كل شيء نعمل به، وكلما فهمناها بشكل أفضل، زادت سيطرتنا على صوتنا.

ما هي مكونات الموجة الصوتية؟

قد تبدو الموجات الصوتية وكأنها سحر مظلم، ولكن مثلها مثل أي شيء آخر في الفيزياء، فهي تتبع مجموعة من القواعد. فكل صوت نسمعه له سمات محددة تحدد سلوكه، وهناك عدد قليل من المكونات الرئيسية التي تشكل الموجات الصوتية.

التردد

التردد هو أحد أكبر العوامل التي تشكل كيفية سماعنا للصوت. بعبارات بسيطة، هو مدى سرعة اهتزاز الموجة الصوتية. ونقيسه بالهرتز (Hz)، والذي يخبرنا بعدد دورات الموجة في الثانية الواحدة.

كلما زادت سرعة الاهتزاز، زاد التردد. والتردد هو ما يحدد درجة الصوت. على سبيل المثال، يبلغ تردد النغمة C الوسطى على البيانو حوالي 261.6 هرتز، مما يعني أن الهواء يهتز بهذه السرعة في الثانية الواحدة لإنتاج النغمة. وفي الوقت نفسه، قد يبلغ تردد النغمة الجهير المنخفض حوالي 60 هرتز، ويمكن أن يرتفع تردد صفارة الكلب الخارقة إلى ما يزيد عن 20000 هرتز (وهو، بشكل ملائم، المكان الذي ينقطع فيه السمع البشري).

الطول الموجي

الطول الموجي (λ) هو حجم الموجة الصوتية - وتحديدًا المسافة التي تقطعها في دورة واحدة كاملة. إذا قمت بتجميد موجة صوتية ومددتها أمامك، فإن الطول الموجي سيكون المسافة من قمة إلى أخرى.

هناك معادلة بسيطة لمعرفة ذلك:

λ=ج/و

إليك ما يعنيه ذلك:

• λ (الطول الموجي): طول دورة كاملة واحدة من الموجة
• ج (سرعة الصوت): مدى سرعة تحرك الصوت عبر الهواء (343 مترًا في الثانية تقريبًا في درجة حرارة الغرفة)
• f (التردد): مدى سرعة اهتزاز الموجة، ويقاس بالهرتز

لذا، إذا كان لديك صوت 100 هرتز، يمكنك توصيله:

λ = 343/100 = 3.43 متر

وهذا يعني أن طول الموجة يزيد عن 3 أمتار!

والآن، إذا قارنا ذلك بصوت 1000 هرتز:

λ = 343/1000 = 0.343 متر

كما ترى، فإن الترددات الأعلى لها أطوال موجية أقصر، ولهذا السبب يبدو الجهير (الترددات المنخفضة) كبيراً وواسعاً، بينما الترددات الثلاثية (الترددات العالية) أكثر تركيزاً واتجاهاً.

وهذا هو السبب أيضًا في أن الأصوات المنخفضة يمكن أن تنتقل عبر الجدران، بينما تميل الأصوات ذات النبرة الأعلى إلى الامتصاص أو الانعكاس بسهولة أكبر.

السعة

تمثل السعة قوة الصوت أو حجمه. وهو الجزء من الموجة الصوتية الذي يجعلها عالية أو ناعمة. وبشكل أكثر تقنية، يمثل السعة مدى دفع جزيئات الهواء من موضعها الساكن عند مرور الموجة الصوتية. وكلما كانت الحركة أكبر، كانت الموجة أقوى، وكان الصوت أعلى.

فكّر في الأمر على النحو التالي: إذا نقرت على طبلة برفق، فإن الهواء بالكاد يتحرك، وتحصل على صوت هادئ. ولكن إذا قمت بضرب تلك الأسطوانة بقوة، فإن الهواء ينضغط ويتمدد بشكل أكبر بكثير، مما يؤدي إلى إصدار أصوات أعلى.

هذه هي السعة في العمل.

في الشكل الموجي، السعة هي ارتفاع الموجة. فالموجات الأطول تعني سعة أعلى، وهو ما ندركه كصوت أكبر. أما الموجات الأصغر فتعني سعة أقل، وهو ما نسمعه كصوت أهدأ.

وبعيدًا عن مستوى الصوت، تلعب السعة أيضًا دورًا في كيفية تفاعل الصوت مع الفراغ، وكيف يبدو فيزيائيًا، وحتى كيف يتم إدراكه عاطفيًا في الموسيقى.

السرعة

عندما نتحدث عن سرعة الصوت (ولا يمكن القول إنها واحدة من أفضل أغاني كولدبلاي)، فهي مدى سرعة انتقال الموجات الصوتية عبر وسط ما. على عكس الضوء، الذي ينطلق عبر الفضاء بسرعات يصعب فهمها، يحتاج الصوت إلى شيء ما للانتقال عبره. قد يكون هواء، أو ماء، أو معدن، أو أي شيء آخر. واعتمادًا على ماهية هذا الشيء، تتغير سرعة الصوت.

في الهواء (في درجة حرارة الغرفة)، يتحرك الصوت في الهواء (في درجة حرارة الغرفة) بسرعة 343 مترًا في الثانية تقريبًا (1,125 قدمًا في الثانية). ولكن إذا صرخت تحت الماء، فإن الصوت ينتقل أسرع أربع مرات مما ينتقل في الهواء. وإذا نقرت على أنبوب معدني، فإن الاهتزاز ينطلق عبر المعدن بسرعة أكبر.

إذن، لماذا يحدث هذا؟

يعود الأمر إلى مدى تراص الجزيئات في المواد المختلفة. في الغازات مثل الهواء، تكون الجزيئات متباعدة جدًا، لذا تستغرق الموجة وقتًا أطول للمرور عبرها. في السوائل، تكون الجزيئات متقاربة من بعضها البعض، لذلك يتحرك الصوت بشكل أسرع. أما في المواد الصلبة، حيث تكون الجزيئات معبأة بإحكام، يتحرك الصوت أسرع.

لهذا السبب إذا وضعت أذنك على مسار قطار (لا أنصحك بذلك)، ستسمع صوت قطار قادم قبل وقت طويل من وصول الصوت إليك عبر الهواء. ولهذا السبب أيضًا يتصرف الصوت بشكل مختلف في البيئات المختلفة، مثل كيف يبدو صوتك مكتومًا بشكل غريب في الضباب الكثيف، حيث أن الرطوبة الزائدة في الهواء تغير سرعة الموجات الصوتية وامتصاصها).

الكثافة

إذا كانت السعة تخبرنا بحجم الموجة الصوتية، فإن الشدة تخبرنا بمدى قوتها. وبشكل أكثر تحديدًا، الشدة هي مقدار الطاقة التي تحملها الموجة الصوتية لكل وحدة مساحة، ونقيسها بالواط لكل متر مربع (W/m²).

فكر في الأمر مثل المصباح اليدوي. ينشر المصباح الخافت كمية صغيرة من الطاقة على مساحة معينة، بينما المصباح عالي الطاقة ينفث كمية كبيرة من الضوء في نفس المساحة. يعمل الصوت بالطريقة نفسها. فكلما زادت الطاقة المعبأة في موجة، زادت كثافتها.

الشدة مهمة لأنها تلعب دورًا كبيرًا في كيفية إدراكنا لجهارة الصوت. فبينما تعطينا السعة ارتفاع الموجة، تخبرنا الشدة مقدار الطاقة الكلية التي يتم توصيلها. قد ينتج كل من مكبر الصوت الصغير ونظام صوت الملعب نفس السعة عند نقطة واحدة، لكن نظام الملعب يوزع هذه الطاقة على مساحة أكبر بكثير، مما يجعلها أكثر كثافة بكثير.

ولهذا السبب أيضًا تؤثر المسافة على مدى ارتفاع صوت شيء ما. فمع انتشار الموجة الصوتية، تنخفض شدتها لأن الطاقة تتوزع على مساحة أكبر. وهذا هو السبب في أن صوت الحفل الموسيقي يصم الآذان بالقرب من مكبرات الصوت ولكنه يتلاشى كلما ابتعدت إلى الخلف.

المرحلة

ينظر الطور إلى توقيت الموجة. إنه المكان الذي تقع فيه الموجة الصوتية في دورتها في أي لحظة معينة. إذا كان بإمكانك تجميد شكل موجي والإشارة إلى نقطة محددة عليه، فإنك بذلك تحدد طوره.

نقيس الطور بالدرجات، حيث تكون الدورة الموجية الكاملة الواحدة 360 درجة. تكون الموجة عند 0 درجة أو 360 درجة عند نقطة البداية، بينما تعني 180 درجة أنها في منتصفها وانقلبت رأسًا على عقب.

عندما تتفاعل موجات صوتية متعددة، تحدد أطوارها ما إذا كانت تعمل معًا أو ضد بعضها البعض.

إذا كانت موجتان متطابقتان في الطور (تصطفان عند نفس النقاط)، فإنهما تعززان بعضهما البعض، مما يجعل الصوت أقوى. أما إذا كانتا غير متوافقتين في الطور، بمعنى أن ذروة إحدى الموجتين تصطف مع انخفاض موجة أخرى، فإنهما تلغي إحداهما الأخرى جزئيًا أو كليًا، مما قد يقلل الصوت أو حتى يلغيه.

إلغاء الطور هو لعنة أي مهندس صوت. على سبيل المثال، إذا سبق لك أن سجلت مجموعة طبول ولاحظت أن صوت الفخ يبدو رقيقًا بشكل غريب، فقد يكون إلغاء الطور بين الميكروفونات هو السبب في ذلك. وهذا هو السبب أيضًا في أن قلب الطور على جهاز المزج أو شعبة النهوض بالصوت يمكن أن يعيد الحياة إلى الصوت في بعض الأحيان.

لدينا مدونة كاملة عن سبب أهمية المرحلة في الموسيقى أنصحك بالاطلاع عليها إذا كنت تريد معرفة المزيد.

أنواع مختلفة من الموجات الصوتية القائمة على الانتشار

من المهم ملاحظة أنه ليست كل الموجات الصوتية تتحرك بالطريقة نفسها. ففي حين أنها تحمل جميعها الطاقة عبر وسط ما، إلا أن طريقة انتشارها (وهو مصطلح منمق لكيفية انتقال الموجات الصوتية) يمكن أن تكون مختلفة حسب الحالة.

الانتشار هو الطريقة التي تتحرك بها الموجة عبر الفضاء. تدفع بعض الموجات وتسحب في نفس الاتجاه الذي تتحرك فيه، بينما تتحرك موجات أخرى لأعلى ولأسفل أو تنتشر في أنماط معقدة.

دعونا نحلل الأنواع الرئيسية للموجات الصوتية بناءً على كيفية حركتها وسبب أهمية ذلك.

الموجات الطولية

الموجات الطولية هي الشكل المفضل للموجات الصوتية في الحياة اليومية. ويتم تعريفها من خلال كيفية تحركها. تهتز جزيئات الهواء ذهابًا وإيابًا في نفس اتجاه حركة الموجة.

أحب أن أتخيل دفع أحد طرفي اللولب إلى الأمام أثناء سحبه للخلف، وأرى اللفائف تتجمع وتتباعد في أجزاء معينة. بشكل أساسي، تتحرك الموجات الطولية عبر مناطق الانضغاط (حيث تتدافع الجسيمات معًا) والتخلخل (حيث تتباعد الجسيمات عن بعضها البعض). هذه الدورة المستمرة من الدفع والسحب هي الطريقة التي يتحرك بها الصوت عبر الهواء ويصل إلى آذاننا.

فنحن نسمع الموجات الطولية في الهواء والماء لأن هذه المواد لا تتمتع بالبنية التي تدعم الأنواع الأخرى من حركة الموجات. لكنها تنتقل أيضًا عبر المواد الصلبة.

وبما أن هذه الموجات هي المسؤولة عن كل الأصوات التي نسمعها تقريبًا، فهي في قلب كل شيء في الموسيقى، بدءًا من اهتزاز وتر الجيتار إلى النقر الهش على القبعة.

الموجات المستعرضة

تتحرَّك الموجات المستعرضة بشكل مختلف قليلًا عن أبناء عمومتها الطولية. فبدلًا من اهتزاز الجسيمات ذهابًا وإيابًا في نفس اتجاه الموجة، تتميز الموجات المستعرضة بحركة عمودية على مسار انتقال الموجة، ما يعني أن الطاقة تتحرك إلى الأمام، لكن الجسيمات تتحرك إلى أعلى وأسفل.

هناك طريقة جيدة لتصور ذلك من خلال هز الحبل. إذا أمسكت أحد طرفيه وحركته لأعلى ولأسفل، فسترى موجات تتحرك على طول الحبل، لكن المادة الفعلية للحبل تتحرك من جانب إلى آخر بدلًا من أن تتحرك على طول الموجة. هذه هي الطريقة التي تتصرف بها الموجات المستعرضة.

الفرق الرئيسي هو أن الموجات المستعرضة تحدث فقط في المواد الصلبة. وذلك لأن المواد الصلبة لديها البنية الصلبة اللازمة لدعم الحركة لأعلى ولأسفل. أما السوائل والغازات فليس لديها هذا النوع من المقاومة الداخلية.

على الرغم من أنها ليست جزءًا من كيفية سماعنا للصوت، تلعب الموجات المستعرضة دورًا كبيرًا في فهم الخواص الميكانيكية للمواد في العالم من حولنا. فهي تظهر في النشاط الزلزالي، والاهتزازات في الهياكل الصلبة، وحتى في كيفية اهتزاز الآلات الموسيقية. إذا سبق لك أن شعرت باهتزاز جسم الغيتار الصوتي عند عزف نوتة موسيقية، فأنت تختبر الموجات المستعرضة أثناء العمل.

الموجات السطحية

تشبه الموجات السطحية أفضل ما في العالمين، حيث تجمع بين عناصر الموجات الطولية والعرضية. فبدلًا من الحركة ذهابًا وإيابًا أو صعودًا وهبوطًا فقط، تُنشئ الموجات السطحية حركة دائرية أو دائرية أكثر أثناء انتقالها على طول الحد الفاصل بين مادتين مختلفتين.

وبالعودة إلى أمواج المحيط، عندما تتدحرج موجة نحو الشاطئ، يتحرك الماء في نمط دائري. فتتحرك الجسيمات القريبة من السطح في دوائر أكبر، بينما تتحرك الجسيمات الموجودة في العمق في الأسفل في دوائر أقل. ينطبق المبدأ نفسه على الموجات السطحية في المواد الأخرى، بما في ذلك بعض الحالات التي يتفاعل فيها الصوت مع الأسطح الصلبة.

الأمر الأساسي في الموجات السطحية هو أن طاقتها تتلاشى مع العمق. فكلما ابتعدت عن السطح، كلما أصبحت حركة الموجة أصغر. وهذا هو السبب في أن الغواصين في أعماق البحار لا يشعرون بالحركة نفسها التي تقذف القوارب في الأعلى.

أنواع مختلفة من الموجات الصوتية بناءً على الترددات

بعض الموجات الصوتية يمكننا سماعها، في حين أن البعض الآخر خارج نطاقنا تمامًا. بناءً على التردد، تنقسم الموجات الصوتية إلى ثلاث فئات رئيسية:

• الموجات الصوتية المسموعة: هذه هي الترددات التي يمكن للبشر سماعها بالفعل. يقع كل شيء من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز في هذا النطاق. ومع تقدمنا في العمر، يميل الحد الأعلى إلى الانخفاض، وهذا هو السبب في أن بعض الأصوات ذات الترددات العالية لا تسمعها إلا الآذان الأصغر سناً (ربما تتذكر زملاءك في الفصل وهم يشغلون تلك التطبيقات المزعجة التي تصدرها الناموس في الفصل لأن المعلم لا يستطيع سماعها)
• الموجات تحت الصوتية: وهي ترددات منخفضة للغاية تقل عن 20 هرتز وهي أعمق من أن يسمعها الإنسان، لكنها لا تزال حقيقية وقوية للغاية. تُستخدم الموجات تحت الصوتية في الكشف عن الزلازل، ورصد النشاط البركاني، وحتى التواصل مع الحيوانات. على سبيل المثال، تستخدم الفيلة الموجات تحت الصوتية "للتحدث" عبر مسافات طويلة. حتى أن بعض الباحثين يربطون بين الموجات تحت الصوتية والشعور بعدم الارتياح، وهو ما يمكن أن يفسر لحظات "أقسم أنني رأيت شبحاً للتو".
• الموجات فوق الصوتية: هذه الموجات الصوتية عالية التردد التي تزيد عن 20 كيلو هرتز تتجاوز ما يمكن للبشر سماعه، ولكن لها الكثير من التطبيقات العملية. ويعتمد التصوير الطبي (الفحص بالموجات فوق الصوتية) وتكنولوجيا السونار وحتى بعض وسائل ردع الآفات على الموجات فوق الصوتية. وتستخدمها بعض الحيوانات، مثل الخفافيش والدلافين، في تحديد الموقع بالصدى "للرؤية" بطرق تتجاوز إدراكنا.

أفكار أخيرة حول الموجات الصوتية

إذن، ماذا يمكنك أن تفعل بكل هذه المعلومات الجديدة عن الموجات الصوتية؟

حسنًا، بالنسبة للمبتدئين، يمنحك فهم الموجات الصوتية مزيدًا من التحكم في إنتاج الموسيقى والمزج والتسجيل وحتى إعدادات الصوت الحي. سواء كنت تقوم بضبط معادل الصوت وتحاول معرفة تردد الموجات التي تسمعها أو تضع الميكروفونات وتحاول تجنب الطور، فإن معرفة كيفية تحرك الصوت يساعدك على اتخاذ خيارات أفضل.

هل تريد تجربة موجات صوتية ممتعة؟

جرّب ما يلي: أمسك مكبر صوت، وشغّل موجة جيبية منخفضة التردد (حوالي 50-100 هرتز)، وضع يدك بالقرب منه. هل تشعر بالاهتزاز؟ والآن، شغل موجة جيبية عالية التردد (5000 هرتز أو أكثر). لاحظ كيف تتلاشى الاهتزازات؟ هذا هو الطول الموجي والتردد في العمل. فكلما كان التردد أقل، كلما كان الطول الموجي أطول، وكلما تحركت الموجة عبر الهواء بطريقة يمكنك أن تشعر بها جسدياً .

في نهاية المطاف، الموجات الصوتية ليست مجرد جزء من بعض العلوم المجردة. فهي تشكل كل ما نسمعه ونشعر به في الموسيقى. وكلما فهمتها أكثر، كلما تمكنت من تطويعها لإرادتك.