الموجات تحت الصوتية

يُشير مصطلح الموجات تحت الصوتية ، الذي يُشار إليه أحيانًا بالصوت منخفض التردد أو (بشكلٍ مُبهم أحيانًا) دون سرعة الصوت (حيث يُشير مصطلح دون سرعة الصوت إلى "أقل من سرعة الصوت")، ^{[ 1 ]} إلى الموجات الصوتية ذات التردد الأقل من الحد الأدنى للسمع البشري (عادةً 20 هرتز ، وفقًا لمعيار ANSI/ASA S1.1-2013 ). ^{[ 2 ]} يقلّ إحساس السمع تدريجيًا مع انخفاض التردد، لذا لكي يُدرك الإنسان الموجات تحت الصوتية، يجب أن يكون ضغط الصوت مرتفعًا بدرجة كافية. وعلى الرغم من أن الأذن هي العضو الرئيسي لاستشعار الأصوات المنخفضة، إلا أنه عند شدة صوت أعلى، يُمكن الشعور باهتزازات الموجات تحت الصوتية في أجزاء مختلفة من الجسم.

يُشار أحيانًا إلى دراسة هذه الموجات الصوتية باسم الموجات تحت الصوتية ، والتي تشمل الأصوات التي تقل تردداتها عن 20  هرتز وصولًا إلى 0.1  هرتز (ونادرًا ما تصل إلى 0.001  هرتز). يستخدم العلماء هذا النطاق الترددي لرصد الزلازل والبراكين، ورسم خرائط التكوينات الصخرية والبترولية تحت سطح الأرض، وكذلك في تخطيط القلب الباليستي وتخطيط القلب الزلزالي لدراسة ميكانيكا الجهاز القلبي الوعائي البشري .

تتميز الموجات تحت الصوتية بقدرتها على اختراق العوائق مع فقدان ضئيل للطاقة . في الموسيقى ، يمكن لأساليب توجيه الموجات الصوتية ، مثل آلة الأرغن الكبيرة ، أو تصميمات مكبرات الصوت المتطورة مثل مكبرات الصوت ذات خطوط النقل ، أو مكبرات الصوت الدوارة ، أو مكبرات الصوت الفرعية التقليدية ، إنتاج أصوات منخفضة التردد، بما في ذلك الموجات تحت الصوتية القريبة. تتميز مكبرات الصوت الفرعية المصممة لإنتاج الموجات تحت الصوتية بقدرتها على إعادة إنتاج الصوت بتردد أقل بأوكتاف أو أكثر من معظم مكبرات الصوت الفرعية المتوفرة تجاريًا، وغالبًا ما يكون حجمها أكبر بعشر مرات تقريبًا. ^{[ 3 ]}

كان العالم الفرنسي فلاديمير غافرو أحد رواد أبحاث الموجات تحت الصوتية . ^{[ 4 ]} بدأ اهتمامه بالموجات تحت الصوتية عام 1957 في المبنى الخرساني الكبير الذي كان يعمل فيه مع فريقه البحثي. كان الفريق يعاني من نوبات غثيان دورية شديدة. بعد أسابيع من التكهنات حول مصدر الغثيان  - إذ كان الفريق مقتنعًا بأنه مسبب مرض أو تسرب غير معروف لأبخرة كيميائية سامة في المنشأة  - اكتشفوا أن "محركًا بطيئًا غير مستقر... كان يُصدر هذه الاهتزازات المسببة للغثيان". ^{[ 4 ]}

عندما حاول غافرو وفريقه قياس سعة الصوت ودرجته، صُدموا عندما لم يلتقط جهازهم أي صوت مسموع. استنتجوا أن الصوت الصادر عن المحرك كان منخفض التردد لدرجة أنه أدنى من قدرتهم البيولوجية على السمع، وأن جهاز التسجيل الخاص بهم لم يكن قادرًا على رصد هذه الترددات. لم يكن أحد يتصور وجود صوت بمثل هذه الترددات المنخفضة، ولذلك لم يتم تطوير أي جهاز لرصده. في النهاية، تبيّن أن الصوت المُسبب للغثيان كان موجة تحت صوتية بتردد 7 دورات في الثانية ، تُحدث رنينًا في مجاري التهوية وهيكل المبنى، مما يُضخّم الصوت بشكل ملحوظ. ^{[ 4 ]} في أعقاب هذا الاكتشاف غير المتوقع، شرع الباحثون سريعًا في إعداد المزيد من اختبارات الموجات تحت الصوتية في المختبرات. إحدى تجاربهم كانت عبارة عن صفارة تحت صوتية، وهي عبارة عن أنبوب أورغن ضخم . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} نتيجة لهذا الحادث والحوادث المماثلة، أصبح من الروتين في بناء العمارة الجديدة فحص وإزالة أي رنين تحت صوتي في التجاويف وإدخال مواد عازلة للصوت ومواد ذات خصائص صوتية متخصصة.

يمكن أن ينتج الصوت تحت السمعي عن مصادر طبيعية وأخرى من صنع الإنسان:

• الظواهر الطبيعية: ينتج الصوت تحت الصوتي أحيانًا بشكل طبيعي عن الأحوال الجوية القاسية ، والأمواج العاتية ، ^{[ 8 ]} والأمواج المتأثرة بالرياح، والانهيارات الثلجية ، والزلازل ، والبراكين ، ^{[ 9 ] [ 10 ]} والشهب ، ^{[ 11 ]} والشلالات ، وانفصال الجبال الجليدية ، والشفق القطبي ، والنيازك ، والبرق ، والبرق في طبقات الجو العليا . ^{[ 12 ]} ينتج عن التفاعلات غير الخطية لأمواج المحيط في العواصف المحيطية اهتزازات تحت صوتية منتشرة بتردد حوالي 0.2  هرتز، تُعرف باسم الميكروبارومات . ^{[ 13 ]} وفقًا لبرنامج الصوت تحت الصوتي في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) ، يمكن استخدام مصفوفات الصوت تحت الصوتي لتحديد مواقع الانهيارات الثلجية في جبال روكي، والكشف عن الأعاصير في السهول العالية قبل دقائق من وصولها إلى الأرض. ^{[ 14 ]}

• التواصل بين الحيوانات: ^{من المعروف أن الحيتان والفيلة [15] وأفراس النهر [16] ووحيد القرن [17] [18] [19] والزرافات [20] والأوكابي [21] والطاووس [22]} والتماسيح ^تستخدم الموجات تحت الصوتية ^{للتواصل} عبر مسافات ^{تصل إلى مئات} الأميال في حالة ^{الحيتان . وقد ثبت أن وحيد القرن السومطري} ، على ^{وجه الخصوص} ، ^{يُصدر أصواتًا بترددات} منخفضة ^{تصل إلى 3} هرتز ، وهي تشبه إلى حد كبير غناء الحوت الأحدب. [18] ويحتوي زئير ^النمر على موجات تحت صوتية بتردد 18 هرتز ^{وما دونه ،} [ 23 ] ويُذكر أن ^{خرخرة القطط تغطي} نطاقًا يتراوح بين 20 و50 هرتز. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} وقد أشير أيضًا إلى أن الطيور المهاجرة تستخدم الأصوات تحت السمعية المتولدة طبيعيًا، من مصادر مثل تدفق الهواء المضطرب فوق السلاسل الجبلية، كوسيلة مساعدة في الملاحة . ^{[ 27 ]} كما يمكن استخدام الأصوات تحت السمعية للتواصل لمسافات طويلة، وهو أمر موثق جيدًا لدى الحيتان البالينية والفيلة الأفريقية . ^{[ 28 ]} يتراوح تردد أصوات الحيتان البالينية من 10 هرتز إلى 31 كيلوهرتز، ^{[ 29 ]} بينما يتراوح تردد أصوات الفيلة من 15 هرتز إلى 35 هرتز. ويمكن أن يكون كلا النوعين عاليًا للغاية (حوالي 117 ديسيبل )، مما يسمح بالتواصل لمسافات طويلة، حيث يصل أقصى مدى محتمل للفيلة إلى حوالي 10 كيلومترات (6 أميال) ، ^{[ 30 ]} وقد يصل إلى مئات أو آلاف الكيلومترات لبعض الحيتان. ^{[ 31 ]} تُصدر الأفيال أيضًا موجات صوتية منخفضة التردد تنتقل عبر الأرض الصلبة، وتستشعرها القطعان الأخرى بأقدامها، على الرغم من أنها قد تفصل بينها مئات الكيلومترات. وقد تُستخدم هذه الأصوات لتنسيق حركة القطعان وتسهيل عملية التزاوج للأفيال.         ليجدوا بعضهم البعض. ^{[ 32 ]}

• المغنون البشريون: يستطيع بعض المغنين، بمن فيهم تيم ستورمز ، إنتاج نغمات في نطاق الموجات تحت الصوتية. ^{[ 33 ]}

• مصادر من صنع الإنسان: يمكن توليد الأصوات تحت السمعية من خلال عمليات بشرية مثل دويّ الانفجارات الصوتية والانفجارات (الكيميائية والنووية )، أو من خلال آلات مثل محركات الديزل وتوربينات الرياح ومحولات الطاقة الميكانيكية المصممة خصيصًا (طاولات الاهتزاز الصناعية). كما أن بعض تصميمات مكبرات الصوت المتخصصة قادرة على إعادة إنتاج ترددات منخفضة للغاية؛ وتشمل هذه مكبرات الصوت ذات مكبرات الصوت الدوارة كبيرة الحجم ، ^{[ 34 ]} بالإضافة إلى مكبرات الصوت الكبيرة ذات البوق ، ومكبرات الصوت ذات انعكاس الصوت ، ومكبرات الصوت المغلقة ، ومكبرات الصوت ذات خط النقل . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

يُعتقد أن بعض الحيوانات تستشعر الموجات تحت الصوتية التي تخترق الأرض، والناتجة عن الكوارث الطبيعية، وتستخدمها كإنذار مبكر. ومن الأمثلة على ذلك زلزال وتسونامي المحيط الهندي عام 2004. فقد وردت تقارير تفيد بأن الحيوانات فرّت من المنطقة قبل ساعات من وصول التسونامي إلى سواحل آسيا. ^{[ 37 ] [ 38 ]} ولا يُعرف على وجه اليقين أن هذا هو السبب؛ إذ اقترح البعض أن تأثير الموجات الكهرومغناطيسية ، وليس الموجات تحت الصوتية، هو ما دفع هذه الحيوانات إلى الفرار. ^{[ 39 ]}

تشير الأبحاث التي أجراها جون هاغستروم من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في عام 2013 إلى أن الحمام الزاجل يستخدم الموجات الصوتية منخفضة التردد للتنقل. ^{[ 40 ]}

 يُعتبر تردد 20 هرتز الحد الأدنى الطبيعي للترددات المنخفضة التي يسمعها الإنسان. عند إعادة إنتاج موجات جيبية نقية في ظروف مثالية وبمستوى صوت عالٍ جدًا، يستطيع المستمع تمييز نغمات منخفضة تصل إلى 12  هرتز. ^{[ 41 ]} أما الترددات الأقل من 10  هرتز، فيمكن إدراك دورات الصوت الفردية، مصحوبة بإحساس بالضغط على طبلة الأذن.

ابتداءً من حوالي 1000  هرتز، يتناقص النطاق الديناميكي للجهاز السمعي مع انخفاض التردد. ويمكن ملاحظة هذا الانضغاط في منحنيات تساوي مستوى شدة الصوت ، مما يعني أن حتى زيادة طفيفة في المستوى يمكن أن تغير شدة الصوت المدركة من بالكاد مسموعة إلى عالية. وبالنظر إلى التباين الطبيعي في عتبات السمع بين أفراد المجتمع، فقد يكون تأثير ذلك أن الصوت منخفض التردد جدًا، والذي لا يسمعه البعض، قد يكون عاليًا بالنسبة للآخرين. ^{[ 42 ]}

أشارت إحدى الدراسات إلى أن الأصوات تحت السمعية قد تسبب مشاعر الرهبة أو الخوف لدى البشر. كما أشارت دراسات أخرى إلى أنه نظرًا لعدم إدراكها بوعي، فقد تجعل الناس يشعرون بشكل غامض بوقوع أحداث غريبة أو خارقة للطبيعة . ^{[ 43 ]}

أفاد عالم يعمل في مختبر علم الأعصاب السمعي بجامعة سيدني بوجود أدلة متزايدة على أن الموجات تحت الصوتية قد تؤثر على الجهاز العصبي لدى بعض الأشخاص عن طريق تحفيز الجهاز الدهليزي ، وقد أظهر ذلك في النماذج الحيوانية تأثيراً مشابهاً لدوار البحر . ^{[ 44 ]}

في بحث أُجري عام ٢٠٠٦ ركز على تأثير انبعاثات الصوت من توربينات الرياح على السكان المجاورين، رُبطت الأصوات تحت السمعية المُدركة بتأثيرات مثل الانزعاج أو الإرهاق، وذلك تبعًا لشدتها، مع وجود أدلة قليلة تدعم التأثيرات الفسيولوجية للأصوات تحت السمعية التي تقل عن عتبة الإدراك البشري. ^{[ ٤٥ ]} ومع ذلك، ربطت دراسات لاحقة الأصوات تحت السمعية غير المسموعة بتأثيرات مثل الشعور بالامتلاء أو الضغط أو طنين الأذن، وأقرت بإمكانية تأثيرها على النوم. ^{[ ٤٦ ]} كما أشارت دراسات أخرى إلى وجود ارتباطات بين مستويات الضوضاء في التوربينات واضطرابات النوم التي أبلغ عنها السكان المجاورون، مع الإشارة إلى أن مساهمة الأصوات تحت السمعية في هذا التأثير لا تزال غير مفهومة تمامًا. ^{[ ٤٧ ] [ ٤٨ ]}

في دراسة أجريت في جامعة إيباراكي باليابان، ذكر الباحثون أن اختبارات تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) أظهرت أن الأصوات تحت السمعية الناتجة عن توربينات الرياح "تُعتبر مصدر إزعاج للفنيين الذين يعملون بالقرب من توربينات الرياح الحديثة واسعة النطاق". ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

قال يورغن ألتمان من جامعة دورتموند التقنية ، وهو خبير في الأسلحة الصوتية ، إنه لا يوجد دليل موثوق على أن الغثيان والقيء ناتجان عن الموجات تحت الصوتية. ^{[ 52 ]}

وقد أشير إلى أن مستويات الصوت العالية في الحفلات الموسيقية الصادرة عن مكبرات الصوت الفرعية تسبب انهيار الرئة لدى الأفراد الذين يقفون بالقرب من مكبرات الصوت الفرعية، وخاصة المدخنين الذين يتميزون بطول القامة والنحافة. ^{​​[ 53 ]}

في سبتمبر/أيلول 2009، توفي الطالب اللندني توم ريد في أحد النوادي الليلية إثر إصابته بمتلازمة الموت القلبي المفاجئ (SADS) بعد أن اشتكى من أن "نغمات البيس العالية" المنبعثة من مكبرات الصوت في النادي "تؤثر على قلبه". وسجل التحقيق أن الوفاة ناجمة عن أسباب طبيعية، على الرغم من أن بعض الخبراء أشاروا إلى أن صوت البيس ربما كان عاملاً محفزاً. ^{[ 54 ]}

يُعدّ الهواء وسطًا غير فعّال لنقل الاهتزازات منخفضة التردد من المحوّل إلى جسم الإنسان. ^{[ 55 ]} ومع ذلك، فإنّ التوصيل الميكانيكي لمصدر الاهتزاز بجسم الإنسان يُشكّل مزيجًا خطيرًا محتملًا. وقد أمر برنامج الفضاء الأمريكي، قلقًا من الآثار الضارة لرحلات الصواريخ على رواد الفضاء، بإجراء اختبارات اهتزازية باستخدام مقاعد قمرة القيادة المثبتة على طاولات اهتزازية لنقل "النغمة البنية" وترددات أخرى مباشرةً إلى الأشخاص الخاضعين للاختبار.  وقد تمّ تحقيق مستويات طاقة عالية جدًا بلغت 160 ديسيبل عند ترددات تتراوح بين 2 و3  هرتز. وتراوحت ترددات الاختبار من 0.5  هرتز إلى 40  هرتز. وقد عانى الأشخاص الخاضعون للاختبار من ترنّح حركي، وغثيان، واضطرابات بصرية، وتراجع في أداء المهام، وصعوبات في التواصل. ويفترض الباحثون أنّ هذه الاختبارات هي نواة الخرافة الشائعة حاليًا حول "النغمة البنية" وآثارها. ^{[ 56 ] [ 57 ]}

يتضمن التقرير المعنون "مراجعة للأبحاث المنشورة حول الضوضاء منخفضة التردد وآثارها" ^{[ 58 ]} قائمة طويلة من الأبحاث حول التعرض للأصوات تحت السمعية عالية المستوى لدى البشر والحيوانات. فعلى سبيل المثال، في عام 1972، عرّض بوريدون 42 شابًا لنغمات بتردد 7.5  هرتز وبشدة 130  ديسيبل لمدة 50 دقيقة. ولم يُسفر هذا التعرض عن أي آثار ضارة باستثناء الشعور بالنعاس وارتفاع طفيف في ضغط الدم. وفي عام 1975، عرّض سلارف وجونسون أربعة متطوعين من الذكور لأصوات تحت سمعية بترددات تتراوح بين 1 و20  هرتز، لمدة ثماني دقائق في كل مرة، وبمستويات تصل إلى 144  ديسيبل . ولم يُرصد أي دليل على أي تأثير ضار سوى شعور طفيف بعدم الراحة في الأذن. أما اختبارات الأصوات تحت السمعية عالية الكثافة على الحيوانات فقد أسفرت عن تغييرات قابلة للقياس، مثل تغيرات في الخلايا وتمزق جدران الأوعية الدموية.

يُعد الصوت تحت السمعي أحد الأسباب المفترضة لوفاة المتنزهين السوفييت التسعة الذين عُثر عليهم موتى في ممر دياتلوف عام 1959. ^{[ 59 ]}

صممت وكالة ناسا لانغلي وطورت نظامًا للكشف عن الموجات تحت الصوتية، يُمكن استخدامه لإجراء قياسات مفيدة لهذه الموجات في مواقع لم يكن ذلك ممكنًا فيها سابقًا. يتألف النظام من ميكروفون مكثف إلكتروني من طراز PCB 377M06، بقطر غشاء يبلغ 3 بوصات، وواقي رياح صغير الحجم. ^{[ 75 ]} توفر تقنية المكثف الإلكتروني أقل مستوى ممكن من الضوضاء الخلفية، نظرًا لتقليل ضوضاء جونسون المتولدة في الإلكترونيات الداعمة (المضخم الأولي). ^{[ 75 ]}

يتميز الميكروفون بغشاء مرن للغاية ذي حجم كبير للحجرة الخلفية، ولوحة خلفية مستقطبة مسبقًا، ومضخم أولي ذي مقاومة عالية موجود داخل الحجرة الخلفية. أما واقي الرياح، المصمم بناءً على معامل انتقال عالٍ للأصوات تحت الصوتية عبر المواد، فهو مصنوع من مادة ذات مقاومة صوتية منخفضة، وله جدار سميك بما يكفي لضمان استقراره الهيكلي. ^{[ 76 ]} وقد وُجد أن رغوة البولي يوريثان ذات الخلايا المغلقة تؤدي الغرض بكفاءة. في الاختبار المقترح، ستكون معايير الاختبار هي الحساسية، والضوضاء الخلفية، ودقة الإشارة (التشويه التوافقي)، والاستقرار الزمني.

يختلف تصميم الميكروفون عن تصميم نظام الصوت التقليدي في مراعاة الخصائص الفريدة للأصوات تحت السمعية. أولًا، تنتشر هذه الأصوات لمسافات شاسعة عبر الغلاف الجوي للأرض نتيجةً لانخفاض امتصاصها في الغلاف الجوي، وللانكسار الذي يسمح بانتشارها عبر ارتدادات متعددة بين سطح الأرض وطبقة الستراتوسفير. ثانيًا، ومن الخصائص التي لم تحظَ بالاهتمام الكافي قدرة هذه الأصوات العالية على اختراق المواد الصلبة  ، وهي خاصية استُخدمت في تصميم وتصنيع واقيات الرياح الخاصة بالنظام. ^{[ 76 ]}

وبذلك، يُلبي النظام العديد من متطلبات الأجهزة المفيدة لتطبيقات الصوتيات: (1) ميكروفون منخفض التردد ذو ضوضاء خلفية منخفضة للغاية، مما يُتيح الكشف عن الإشارات منخفضة المستوى ضمن نطاق تردد منخفض؛ (2) واقي رياح صغير الحجم يسمح (3) بنشر سريع لمصفوفة الميكروفونات في الميدان. كما يتميز النظام بنظام جمع بيانات يسمح بالكشف الفوري عن مصدر منخفض التردد وتحديد اتجاهه وتوقيعه. ^{[ 76 ]}

يستخدم فيلم "ذا ساوند" (The Sound) الذي صدر عام 2017 تقنية الموجات تحت الصوتية كعنصر رئيسي في الحبكة. ^{[ 82 ] [ 83 ]}

في حلقة "Fermata" من مسلسل أستريد ورافائيل التلفزيوني الفرنسي البلجيكي لعام 2020 ، تم استخدام الصوت تحت السمعي الصادر من مولد مخفي في آلة الأرغن الأنبوبية في قاعة غراند أوديتوريوم في دار الإذاعة والموسيقى ، المقر الرئيسي لإذاعة فرنسا في باريس ، كسلاح للقتل.

تم ذكر ظاهرة "تردد الأشباح" في الموسم الثالث الحلقة الرابعة من المسلسل التلفزيوني Evil ، بعنوان The Demon of the Road، وكذلك في الموسم الثالث والعشرين الحلقة الثالثة من المسلسل التلفزيوني NCIS ، بعنوان The Sound and the Fury.

ملحوظات

فهرس

• غونديرسن، ب. إريك. كتاب إجابات الفيزياء العملي . دار نشر فيزيبل إنك، 2003.
• تشيد، غراهام. الصوت؛ من الاتصالات إلى التلوث الضوضائي . دابلداي وشركاه ، 1970.
• أوكيف، كياران، وسارة أنجليس. التأثيرات الذاتية للأصوات تحت السمعية في الحفلات الموسيقية الحية . CIM04: مؤتمر علم الموسيقى متعدد التخصصات . غراتس ، النمسا: مطبعة جامعة غراتس، 2004. 132-133.
• عُرضت أكبر برامج ديسكفري في تمام الساعة 8:00  مساءً (بتوقيت الهند القياسي) على قناة ديسكفري في الهند يوم الأحد 7 أكتوبر 2007

• برنامج الموجات تحت الصوتية التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (أرشيف)
• برنامج أبحاث المراقبة التابع لقيادة الدفاع الصاروخي والفضاء بالجيش الأمريكي (أرشيف)
• مختبر لوس ألاموس لرصد الأشعة تحت الحمراء (مؤرشف)
• موجات الجاذبية دون الصوتية والصوتية الناتجة عن انفجار جبل بيناتوبو في 15 يونيو 1991 ، ماكوتو طاهرا، ماساهيرو نومورا، يوسيهيرو ساوادا، وكوسوكي كامو
• حاجز رياح تحت السطح لقياس الموجات تحت الصوتية الخارجية، قمر أ. شمس، سيسيل ج. بوركيت، وتوبي كومو، مركز لانغلي للأبحاث التابع لناسا، آلان ج. زوكروار، قسم الخدمات التحليلية والمواد، وجورج ر. ويستروفر، جامعة فرجينيا كومنولث