صوت

تُظهر الموجات الصوتية سلوكيات مثل الانعكاس، والنفاذ ، والانكسار ، والحيود ، والامتصاص ، والتوهين . ^{[ 18 ]} عندما ينتقل الصوت عبر وسط غير متجانس، ^{[ 1 ]} فقد ينكسر (إما متشتتًا أو مركزًا). ^{[ 19 ]}

ينتقل الصوت عبر الموائع (مثل الغازات والبلازما والسوائل) على شكل موجات طولية ، تُسمى أيضًا موجات الضغط . أما في المواد الصلبة، فيمكن أن ينتقل الصوت على شكل موجات طولية وموجات مستعرضة . الموجات الصوتية الطولية هي موجات ذات انحرافات ضغط متناوبة عن ضغط التوازن ، مما يُسبب مناطق موضعية من الضغط والتخلخل ، بينما الموجات المستعرضة (في المواد الصلبة) هي موجات ذات إجهاد قص متناوب عمودي على اتجاه الانتشار. وعلى عكس الموجات الصوتية الطولية، تتميز الموجات الصوتية المستعرضة بخاصية الاستقطاب . ^{[ 20 ]}

• 
  موجات دائرية طولية تنتشر من مصدر وتسبب اهتزاز الجسيمات.
• 
  موجة مستوية طولية، المنطقة المشوهة أفقياً تتحرك عبر الشبكة.
• 
  موجة مستوية مستعرضة، المنطقة المشوهة عموديًا تتحرك عبر الشبكة.

يمكن رؤية الموجات الصوتية باستخدام المرايا المكافئة والأجسام التي تصدر الصوت. ^{[ 21 ]}

تتناوب الطاقة التي تحملها الموجة الصوتية الدورية بين طاقة الوضع للضغط الإضافي (في حالة الموجات الطولية) أو إجهاد الإزاحة الجانبية (في حالة الموجات المستعرضة) للمادة، والطاقة الحركية لسرعة إزاحة الجسيمات في الوسط.

على الرغم من أن انتقال الصوت ينطوي على العديد من العمليات الفيزيائية، إلا أن الإشارة المستقبلة عند نقطة معينة (مثل الميكروفون أو الأذن) يمكن وصفها بالكامل بأنها ضغط متغير مع الزمن. يوفر شكل الموجة هذا، الذي يمثل الضغط مقابل الزمن، تمثيلاً كاملاً لأي صوت أو إشارة صوتية يتم اكتشافها في ذلك الموقع.

غالباً ما يتم تبسيط الموجات الصوتية إلى موجات مستوية جيبية ، والتي تتميز بهذه الخصائص العامة:

• التردد ، أو عكسه، الفترة.
• الطول الموجي ، أو معكوسه، العدد الموجي .
• السعة ، أو ضغط الصوت ، أو الشدة
• سرعة الصوت
• اتجاه

في بعض الأحيان يتم دمج السرعة والاتجاه كمتجه سرعة ؛ ويتم دمج رقم الموجة والاتجاه كمتجه موجة .

لتحليل الصوت، يمكن تمثيل شكل الموجة المعقد ^- مثل الشكل الموضح على اليمين - كمزيج خطي من مكونات جيبية ذات ترددات وسعات وأطوار مختلفة . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24} ] ^{[ j ]}

• 
  شكل الموجة للضغط مقابل الزمن لنغمة الكلارينيت التي مدتها 20 مللي ثانية.
• 
  أشكال موجية جيبية بأطوال موجية متزايدة لأعلى، تمثل مكونات التردد النقي المستخدمة في تحليل فورييه .

تعتمد سرعة الصوت على الوسط الذي تمر فيه الموجات، وهي خاصية أساسية للمادة. وقد بذل إسحاق نيوتن أول جهد جاد لقياس سرعة الصوت . كان يعتقد أن سرعة الصوت في مادة معينة تساوي الجذر التربيعي للضغط المؤثر عليها مقسومًا على كثافتها.

${\displaystyle c={\sqrt {\frac {p}{\rho }}}.}$

تم دحض هذا لاحقًا ^{[ ك ]} ، وقام عالم الرياضيات الفرنسي لابلاس بتصحيح الصيغة باستنتاج أن ظاهرة انتقال الصوت ليست متساوية الحرارة، كما اعتقد نيوتن، بل هي كظيمة . وأضاف عاملًا آخر إلى المعادلة - غاما - وضربها ${\displaystyle {\sqrt {\gamma }}}$ بواسطة ${\displaystyle {\sqrt {p/\rho }}}$وبذلك تم التوصل إلى المعادلة ${\displaystyle c={\sqrt {\gamma \cdot p/\rho }}}$. منذ ${\displaystyle K=\gamma \cdot p}$، وكانت المعادلة النهائية هي ${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$، والتي تُعرف أيضًا باسم معادلة نيوتن-لابلاس. في هذه المعادلة، K هو معامل المرونة الحجمية، و c هي سرعة الصوت، و${\displaystyle \rho }$الكثافة. وبالتالي، فإن سرعة الصوت تتناسب مع الجذر التربيعي لنسبة معامل المرونة الحجمية للوسط إلى كثافته.

تتغير هذه الخصائص الفيزيائية وسرعة الصوت بتغير الظروف المحيطة. فعلى سبيل المثال، تعتمد سرعة الصوت في الغازات على درجة الحرارة. في هواء درجة حرارته 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت) عند مستوى سطح البحر، تبلغ سرعة الصوت حوالي 343 مترًا في الثانية (1230 كيلومترًا في الساعة؛ 767 ميلًا في الساعة) باستخدام الصيغة v [م/ث] = 331 + 0.6 T [درجة مئوية] . كما تتأثر سرعة الصوت بشكل طفيف بسعة الصوت، حيث تخضع لتأثير لا توافقي من الدرجة الثانية ، مما يعني وجود تأثيرات انتشار غير خطية، مثل إنتاج التوافقيات والنغمات المختلطة غير الموجودة في الصوت الأصلي (انظر المصفوفة البارامترية ). إذا كانت التأثيرات النسبية مهمة، تُحسب سرعة الصوت من معادلات أويلر النسبية .     

تبلغ سرعة الصوت في الماء العذب حوالي 1482 م/ث (5335 كم/س؛ 3315 ميل/س) . أما في الفولاذ، فتبلغ سرعة الصوت حوالي 5960 م/ث (21460 كم/س؛ 13330 ميل/س) . وتكون سرعة الصوت في الهيدروجين الذري الصلب في أقصى حالاتها، حيث تبلغ حوالي 36000 م/ث (129600 كم/س؛ 80530 ميل/س) . ^{[ 27 ] [ 28 ]}         

ضغط الصوت هو الفرق، في وسط معين، بين متوسط ​​الضغط المحلي والضغط في الموجة الصوتية. عادةً ما يُحسب متوسط ​​مربع هذا الفرق (أي مربع الانحراف عن ضغط التوازن) على مدار الزمن و/أو المكان، ويُعطي الجذر التربيعي لهذا المتوسط ​​قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​(RMS). على سبيل المثال، ضغط صوت RMS مقداره 1 باسكال (94 ديسيبل) في الهواء الجوي يعني أن الضغط الفعلي في الموجة الصوتية يتذبذب بين (1 ضغط جوي)${\displaystyle -{\sqrt {2}}}$باسكال) و (1 ضغط جوي${\displaystyle +{\sqrt {2}}}$باسكال)، أي ما بين 101323.6 و101326.4 باسكال. ولأن الأذن البشرية قادرة على سماع الأصوات ذات نطاق واسع من السعات، يُقاس ضغط الصوت غالبًا كمستوى على مقياس ديسيبل لوغاريتمي . ويُعرَّف مستوى ضغط الصوت (SPL) أو Lp على النحو التالي _:

${\displaystyle L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {{p}^{2}}{{p_{\mathrm {ref} }}^{2}}}\right)=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{\mathrm {ref} }}}\right){\mbox{ dB}}\,}$

حيث p هو متوسط ​​الجذر التربيعي لضغط الصوت و${\displaystyle p_{\mathrm {ref} }}$يُعدّ ضغط الصوت المرجعي معيارًا شائع الاستخدام. يبلغ ضغط الصوت المرجعي المُستخدم عادةً، والمُحدد في معيار ANSI S1.1-1994 ، 20 ميكروباسكال في الهواء و1 ميكروباسكال في الماء. وبدون ضغط صوت مرجعي مُحدد، لا يُمكن لقيمة مُعبر عنها بالديسيبل أن تُمثل مستوى ضغط الصوت.

بما أن استجابة الأذن البشرية الطيفية ليست مسطحة ، غالبًا ما تُوزن مستويات ضغط الصوت وفقًا للترددات المختلفة ، بحيث يتطابق المستوى المقاس مع المستويات المسموعة بشكل أدق. وقد حددت اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) عدة أنظمة ترجيح. يهدف الترجيح A إلى مطابقة استجابة الأذن البشرية للضوضاء، وتُرمز مستويات ضغط الصوت الموزونة A بوحدة ديسيبل (A). أما الترجيح C فيُستخدم لقياس مستويات الذروة.

يُدرك مستوى الصوت من خلال مدى انخفاضه أو ارتفاعه، وهو يُمثل الطبيعة الدورية والتكرارية للاهتزازات التي تُكوّن الصوت. بالنسبة للأصوات البسيطة، يرتبط مستوى الصوت بتردد أبطأ اهتزاز فيه (يُسمى التوافقي الأساسي). أما في حالة الأصوات المعقدة، فقد يختلف إدراك مستوى الصوت. أحيانًا يُحدد الأفراد مستويات صوت مختلفة لنفس الصوت، بناءً على خبرتهم الشخصية بأنماط صوتية مُحددة. يتم تحديد اختيار مستوى صوت مُعين من خلال فحص لا واعٍ للاهتزازات، بما في ذلك تردداتها والتوازن بينها. ويُولى اهتمام خاص للتعرف على التوافقيات المُحتملة. ^{[ 38 ] [ 39 ]} يُوضع كل صوت على مُتدرج مستوى الصوت من المنخفض إلى العالي.

على سبيل المثال: الضوضاء البيضاء (ضوضاء عشوائية منتشرة بالتساوي عبر جميع الترددات) تبدو أعلى في درجة الصوت من الضوضاء الوردية (ضوضاء عشوائية منتشرة بالتساوي عبر الأوكتافات) لأن الضوضاء البيضاء تحتوي على محتوى ترددات عالية أكثر.

يُدرك زمن الصوت من خلال وصف مدته، سواء أكانت "طويلة" أم "قصيرة"، ويرتبط ذلك بإشارات البدء والتوقف الناتجة عن استجابات الأعصاب للأصوات. عادةً ما يمتد زمن الصوت من لحظة سماعه لأول مرة حتى يتم تحديد تغيره أو توقفه. ^{[ 40 ]} أحيانًا لا يرتبط هذا ارتباطًا مباشرًا بالمدة الفعلية للصوت. على سبيل المثال، في بيئة صاخبة، قد تبدو الأصوات المتقطعة (الأصوات التي تتوقف وتبدأ) وكأنها متصلة، لأن إشارات التوقف تُفقد بسبب التشويش الناتج عن الضوضاء في نفس النطاق الترددي. ^{[ 41 ]} قد يكون هذا مفيدًا جدًا في فهم الرسائل المشوهة، مثل إشارات الراديو التي تعاني من التداخل، حيث تُسمع الرسالة (بسبب هذا التأثير) كما لو كانت متصلة.

يُدرك مستوى الصوت من خلال مدى "ارتفاعه" أو "انخفاضه"، ويعكس النمط العام لنشاط العصب السمعي الناتج عن الصوت. وبشكل عام، تُحدث الأصوات الأعلى إزاحة أكبر للغشاء القاعدي ، مما يحفز المزيد من ألياف العصب السمعي وينتج عنه تمثيل عصبي أقوى لمستوى الصوت. ^{[ 42 ]}

يعتمد مستوى الصوت المُدرَك أيضًا على كيفية توزيع طاقة الصوت على مدار الزمن. فعندما يكون الصوت قصيرًا جدًا، لا يدمج الجهاز السمعي طاقته بالكامل، لذا يُسمع أخف من صوت أطول بنفس الشدة الفيزيائية. تُعرف هذه العملية بالتجميع الزمني ، وتعمل خلال فترة زمنية تقارب 200  مللي ثانية. ^{[ 43 ]} بعد هذه المدة، لا يؤدي زيادة طول الصوت إلى زيادة مستوى الصوت المُدرَك.

يمكن أن يؤثر التعقيد الطيفي للصوت أيضًا على إدراك شدة الصوت. فالنغمات المعقدة، التي تنشط نطاقًا أوسع من ألياف العصب السمعي، غالبًا ما تُعتبر أعلى صوتًا من النغمات البسيطة (مثل الموجات الجيبية) حتى عند تطابق سعتها الفيزيائية. ^{[ 44 ]}

يُدرك جرس الصوت على أنه جودة الأصوات المختلفة (مثل صوت ارتطام صخرة ساقطة، أو أزيز مثقاب، أو نغمة آلة موسيقية، أو جودة صوت بشري)، وهو يُمثل التخصيص اللاواعي لهوية صوتية معينة (مثل "إنها آلة أوبوا!"). وتستند هذه الهوية إلى معلومات مستقاة من تغيرات التردد، والضوضاء، وعدم الاستقرار، ودرجة الصوت المُدركة، وانتشار وكثافة النغمات التوافقية في الصوت على مدى فترة زمنية طويلة. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} وتُوفر طريقة تغير الصوت بمرور الوقت معظم المعلومات اللازمة لتحديد جرس الصوت. فعلى الرغم من أن جزءًا صغيرًا من شكل الموجة لكل آلة يبدو متشابهًا جدًا، إلا أن الاختلافات في التغيرات الزمنية بين الكلارينيت والبيانو واضحة في كل من شدة الصوت ومحتواه التوافقي. أما الضوضاء المختلفة المسموعة، مثل أزيز الهواء في الكلارينيت وضربات المطرقة في البيانو، فهي أقل وضوحًا.

يرتبط النسيج الصوتي بعدد مصادر الصوت والتفاعل بينها. ^{[ 45 ] [ 46 ]} في هذا السياق، تشير كلمة "نسيج" إلى الفصل الإدراكي بين العناصر السمعية. ^{[ 47 ]} في الموسيقى، يُشار إلى النسيج غالبًا على أنه الفرق بين التناغم والتعدد الصوتي والتجانس الصوتي ، ولكنه قد يرتبط أيضًا (على سبيل المثال) بمقهى مزدحم؛ وهو صوت قد يُشار إليه بالنشاز .

يمثل الموقع المكاني الإدراك الإدراكي للصوت في سياق بيئي، بما في ذلك موقعه على المستويين الأفقي والرأسي، والمسافة من مصدر الصوت، وخصائص البيئة الصوتية. ^{[ 47 ] [ 48 ]} في نسيج صوتي كثيف، يمكن تحديد مصادر صوتية متعددة باستخدام مزيج من الموقع المكاني وتحديد جودة الصوت.

الموجات فوق الصوتية هي موجات صوتية بترددات أعلى من 20000  هرتز. لا تختلف الموجات فوق الصوتية عن الصوت المسموع في خصائصها الفيزيائية، ولكن لا يمكن للبشر سماعها. تعمل أجهزة الموجات فوق الصوتية بترددات تتراوح من 20  كيلوهرتز إلى عدة جيجاهرتز.

يُستخدم التصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية بشكل شائع في التشخيص والعلاج.

الموجات تحت الصوتية هي موجات صوتية بترددات أقل من 20  هرتز. ورغم أن هذه الأصوات منخفضة التردد للغاية بحيث لا يستطيع الإنسان سماعها كنغمة موسيقية، إلا أنها تُسمع على شكل نبضات منفصلة (مثل صوت فرقعة محرك دراجة نارية في وضع الخمول). تستطيع الحيتان والفيلة وغيرها من الحيوانات رصد الموجات تحت الصوتية واستخدامها للتواصل. كما يمكن استخدامها لرصد الانفجارات البركانية، وتُستخدم أيضاً في بعض أنواع الموسيقى. ^{[ 49 ]}