علم الصوتيات

علم الصوتيات (من اليونانية القديمة : κῦμα ، بالحروف اللاتينية :  kŷma ، وتعني حرفيًا " موجة " ) هو فرع من ظواهر الاهتزاز النمطية . وقد صاغ هذا المصطلح الطبيب السويسري هانز جيني (1904-1972). عادةً ما يتم اهتزاز سطح صفيحة أو غشاء أو حاجز، فتظهر مناطق الإزاحة القصوى والدنيا في طبقة رقيقة من الجسيمات أو المعجون أو السائل. ^{[ 1 ]} وتظهر أنماط مختلفة في الوسط المُثير تبعًا لهندسة الصفيحة وتردد الإثارة.

يمكن أن تكون الأجهزة المستخدمة بسيطة، مثل وعاء الصب الصيني ، حيث تُفرك المقابض النحاسية فتتسبب في اهتزاز العناصر النحاسية السفلية. ومن الأمثلة الأخرى صفيحة كلادني ^{[ 2 ]} وما يُسمى بالسيماسكوب.

في الثامن من يوليو عام 1680، تمكن روبرت هوك من رؤية الأنماط العقدية المرتبطة بأنماط اهتزاز الألواح الزجاجية. مرر هوك قوسًا على طول حافة لوح زجاجي مغطى بالدقيق، ورأى الأنماط العقدية تظهر. ^{[ 3 ]}

لاحظ الموسيقي والفيزيائي الألماني إرنست كلادني في القرن الثامن عشر أنه يمكن رصد أنماط اهتزاز غشاء أو صفيحة برش سطحها المهتز بغبار ناعم (مثل مسحوق الليكوبوديوم أو الدقيق أو الرمل الناعم). يتحرك المسحوق بفعل الاهتزاز ويتراكم تدريجيًا في نقاط السطح التي تتوافق مع اهتزاز الصوت. تشكل هذه النقاط نمطًا من الخطوط يُعرف باسم "خطوط عقد نمط الاهتزاز". تُحدد أنماط الاهتزاز الطبيعية، ونمط خطوط العقد المرتبطة بكل منها، بشكل كامل، بالنسبة لسطح ذي خصائص ميكانيكية متجانسة، من الشكل الهندسي للسطح وطريقة تقييده. ^{[ 3 ]}

أُجريت تجارب من هذا النوع، مشابهة لتلك التي أجراها غاليليو غاليلي ^{[ 4 ]} حوالي عام 1630 وروبرت هوك عام 1680، ثم طوّرها كلادني لاحقًا، حيث قدّمها بشكل منهجي عام 1787 في كتابه " اكتشافات في نظرية الصوت". وقد أسهم هذا إسهامًا هامًا في فهم الظواهر الصوتية وآلية عمل الآلات الموسيقية. ولا تزال الأشكال التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة (بمساعدة قوس كمان يُفرك عموديًا على حافة ألواح ملساء مغطاة برمل ناعم) تُعرف باسم "أشكال كلادني".

اكتشف مايكل فاراداي أن السوائل الموجودة في وعاء تنتج أنماطًا منتظمة عندما يهتز الوعاء، وهو ما يسمى موجات فاراداي .

في عام ١٩٦٧، نشر هانز جيني ، تلميذ عالم الأنثروبوسوفي رودولف شتاينر ، المجلد الأول من مجلدين باللغة الألمانية بعنوان "كيماتيك " (نُشر المجلد الثاني بعد وفاته عام ١٩٧٢). أظهر جيني تطور الصور التوافقية من خلال تعريض مواد خاملة لموجات صوتية متذبذبة . وقد طوّر عمله الضخم، القائم على منهجية علمية دقيقة، تجارب كلادني، مُسلطًا الضوء على صور توافقية عضوية معقدة تعكس العديد من الأنماط العالمية الموجودة في الطبيعة، وخاصة في الكائنات الحية. قام جيني بنشر مساحيق ومعاجين وسوائل على صفيحة معدنية متصلة بمذبذب قادر على إنتاج طيف واسع من الترددات. تم تنظيم المواد في هياكل مختلفة تتميز بأشكال هندسية نموذجية لتردد الاهتزاز المنبعث من المذبذب. ووفقًا لجيني، فإن هذه الهياكل، التي تُذكّر بالماندالا وغيرها من الأشكال المتكررة في الطبيعة، تُعد مظهرًا من مظاهر مجال قوة غير مرئي للطاقة الاهتزازية التي ولّدتها. وقد أعجب بشكل خاص بملاحظة مفادها أنه عند فرض صوت باللغة السنسكريتية القديمة لكلمة "أوم" (التي يعتبرها الهندوس والبوذيون صوت الخلق)، فإن مسحوق الليكوبوديوم يشكل دائرة بنقطة مركزية، وهي إحدى الطرق التي تم بها تمثيل كلمة "أوم" .

في الواقع، بالنسبة لصفيحة دائرية الشكل، مستقرة في مركزها (أو حافتها، أو على الأقل في مجموعة من النقاط ذات التناظر المركزي)، فإن جميع أنماط الاهتزاز العقدية تتمتع بتناظر مركزي، لذا فإن ملاحظة جيني تتوافق تمامًا مع الخصائص الرياضية المعروفة. ^{[ 5 ]} من وجهة النظر الفيزيائية الرياضية، يتحدد شكل الأنماط العقدية مسبقًا بشكل الجسم المهتز، أو في حالة الموجات الصوتية في الغاز، بشكل التجويف الذي يحتوي على الغاز. وبالتالي، لا تؤثر الموجة الصوتية إطلاقًا على شكل الجسم المهتز أو شكل الأنماط العقدية. الشيء الوحيد الذي يتغير نتيجة الاهتزاز هو ترتيب الرمل. وتتأثر الصورة التي يشكلها الرمل، بدورها، بطيف تردد الاهتزاز فقط، لأن كل نمط اهتزاز يتميز بتردد محدد. لذلك، يحدد طيف الإشارة التي تحفز الاهتزاز الأنماط التي تظهر فعليًا على مستوى العقد. تُفسر الظواهر الفيزيائية المتضمنة في تكوين أشكال كلادني على أفضل وجه من خلال الفيزياء الكلاسيكية. ^{[ 6 ]}

أثرت أجهزة عرض الصور العقدية على الفنون البصرية والموسيقى المعاصرة. وقد ابتكرت الفنانة بيورك إسقاطات لأنماط علم الصوتيات باستخدام ترددات الصوت الجهير خلال جولتها الترويجية لألبومها "بيوفيليا" .

أثّر كتاب هانز جيني عن أشكال كلادني على ألفين لوسير ، وساهم في تأليف لوسير لعمله الفني " ملكة الجنوب" . كما تابع مؤسس مركز الدراسات البصرية المتقدمة (CAVS) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، جيورجي كيبس، أعمال جيني . ^{[ 7 ]} وشمل عمله في هذا المجال استخدام قطعة من الصفيح المعدني المهتز صوتيًا ، حيث حُفرت فيها ثقوب صغيرة على شكل شبكة. وتشتعل ألسنة لهب صغيرة من الغاز عبر هذه الثقوب، مما يُظهر أنماطًا ديناميكية حرارية مرئية.

في منتصف ثمانينيات القرن العشرين، استخدم الفنان البصري رون روكو ، الذي طور أعماله أيضًا في مركز الفنون البصرية التطبيقية (CAVS)، مرايا مثبتة على محركات مؤازرة صغيرة ، تعمل بإشارة صوتية من جهاز توليف موسيقي، ويتم تضخيمها بواسطة مضخم أنبوبي لعكس شعاع ليزر. وقد أدى ذلك إلى تكوين أنماط ضوئية تتوافق مع تردد الصوت وسعته. وباستخدام هذا الشعاع لتوليد تغذية راجعة مرئية، وأجهزة كمبيوتر لمعالجة إشارة التغذية الراجعة، ابتكر روكو سلسلة أعماله التركيبية "أندرو-ميديا". وفي وقت لاحق، تعاون روكو مع الموسيقي ديفيد هايكس ، الذي كان يمارس نوعًا من الترانيم التوافقية المنغولية مع جوقة هارمونيك، لتوليد صور سيماتية من بركة من الزئبق السائل، والتي عملت كمرآة سائلة لتعديل شعاع ليزر هيليوم-نيون من الصوت الناتج. ويمكن الاطلاع على صور لهذا العمل في كتالوج آرس إلكترونيكا لعام 1987. ^{[ 8 ]}

أدخل المصور والفيلسوف الألماني المعاصر ألكسندر لاوترفاسر علم الصوتيات إلى القرن الحادي والعشرين باستخدام مذبذبات بلورية دقيقة الصنع لرنين صفائح فولاذية مغطاة برمال ناعمة، ولتحريك عينات صغيرة من الماء في أطباق بتري . يُظهر كتابه الأول، " صور صوت الماء " ^{[ 9 ]} ، الذي تُرجم إلى الإنجليزية عام 2006، صورًا للضوء المنعكس عن سطح الماء ، والذي تحرك بفعل مصادر صوتية تتراوح بين الموجات الجيبية النقية وموسيقى بيتهوفن وكارلهاينز شتوكهاوزن ، وفرقة كيماتيك الإلكترونية الصوتية (التي غالبًا ما تُسجل بتقنية الصوت المحيطي )، والغناء التوافقي . الصور الناتجة لأنماط الموجات المستقرة مذهلة. ركز كتاب لاوترفاسر على ابتكار نماذج بصرية مفصلة لأنماط طبيعية، بدءًا من توزيع البقع على جلد النمر، مرورًا بالأنماط الهندسية الموجودة في النباتات والزهور، وصولًا إلى أشكال قناديل البحر والأنماط المعقدة الموجودة على صدفة السلحفاة.

ادعى الملحن ستيوارت ميتشل ووالده تي جيه ميتشل أن نقوش كنيسة روسلين تحتوي على إشارات إلى أنماط علم الصوتيات. وفي عام 2005، ابتكرا عملاً موسيقياً بعنوان "موتيت روسلين"، تم إنجازه من خلال محاولة مطابقة أنماط كلادني المختلفة مع 13 رمزاً هندسياً منحوتاً على وجوه مكعبات تنبثق من 14 قوساً. ^{[ 10 ]}

استخدمت فرقة ذا غليتش موب الموسيقية علم الصوتيات لإنتاج الفيديو الموسيقي "Becoming Harmonious (ft. Metal Mother)". ^{[ 11 ]}

استوحت الفنانة ومصممة الأزياء ماندالي ميندريلا ، من مخططات اليانترا وعلم الصوتيات، فستانًا منحوتًا يُدعى "كامادهينو" (فستان شجرة الأمنيات الثالث)، والذي يستند تصميمه إلى مخطط يانترا يصور الإلهة كامادهينو . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يقترح Aphex Twin تعلم المزيد عن علم الصوتيات في إشارة إلى "الضبط الرئيسي لتردد 440  هرتز " في محادثة مع صانع آلات المزج تاتسويا تاكاهاشي . ^{[ 14 ]}

منذ عام 2010، تقوم المجموعة الفنية "أناليما جروب" بإنشاء عروض تفاعلية يتم فيها إنتاج الأنماط الصوتية رقميًا في الوقت الفعلي بواسطة الجمهور. ^{[ 15 ]}

في عام 2014، أنتج الموسيقي نايجل ستانفورد "Cymatics"، وهو عمل موسيقي وفيديو مصمم لتوضيح الجوانب البصرية لعلم الصوتيات. ^{[ 16 ]}

في عام 2016، أحضر كاتب الأغاني ولاعب الوسط السابق في فريق جامعة ولاية أريزونا، سامسون ساكاسي، جهازًا لعلم الصوتيات أطلق عليه اسم "آلة الرسم" في جولته، وكان كل عرض يرسم مباشرة لتصوير كيف تبدو الموسيقى.

ابتكر الرسام الأمريكي المعاصر جيمي أونيل جهاز "سيماسكوب" خاصًا به، استخدمه لإنتاج العديد من الأعمال الفنية العامة. ومن بين هذه الأعمال لوحة جدارية ضخمة بعنوان "511.95 هرتز من النبيذ"، مستوحاة من النمط الناتج عن تتبع حافة كأس نبيذ شبه فارغ بإصبع. ^{[ 17 ]}

في عام ٢٠٢٠، أصدرت دار سك العملة الملكية الهولندية ميدالية رسمية احتفالاً بالذكرى الخامسة والستين لمسابقة الأغنية الأوروبية "يوروفيجن" التي استضافتها مدينة روتردام. وقد تمكن ماسح ضوئي ثلاثي الأبعاد من التقاط الأشكال الصوتية لطبق مهتز مملوء بماء من نهر الميز. ولصنع هذه الميدالية، تم مزج جميع الأغاني الفائزة في المسابقات السابقة وبثها عبر مكبر صوت ( فيديو ).

يستند شعار وموضوع مسابقة يوروفيجن 2022 إلى علم الصوتيات. ^{[ 18 ]}

استُلهمت مقدمة فيلم " سيد الخواتم: خواتم القوة" من علم الصوتيات. ^{[ 19 ]}

استلهامًا من الأنماط الدورية والمتناظرة التي تتشكل عند سطح التماس بين الهواء والسائل بفعل الاهتزاز الصوتي، طور ب. تشين وزملاؤه طريقةً لهندسة هياكل متنوعة من مواد دقيقة الحجم باستخدام قوالب سائلة. ^{[ 20 ]} ويمكن إعادة تشكيل هذا القالب السائل ديناميكيًا عن طريق ضبط تردد الاهتزاز وتسارعه.

• الرنين الميكانيكي
• ميغان واتس هيوز ، مخترعة "الإيدوفون"
• التصور الموسيقي
• معامل رايلي في تحليل الاهتزازات
• أضواء ستروب
• اهتزاز الصفائح
• الموسيقى المرئية

• كيفية إجراء تجربة طبق كلادني