الصوتيات

كلمة "صوتي" مشتقة من الفعل ἀκουστικός ( أكوستيكوس )، الذي يعني "متعلق بالسمع أو مخصص له" و"جاهز للسمع"، ^{[ 2 ]} ومن الفعل ἀκουστός ( أكوستوس )، الذي يعني "مسموع، واضح"، ^{[ 3 ]} والذي بدوره مشتق من الفعل ἀκούω ( أكوأو )، الذي يعني "يسمع". ^{[ 4 ]}

المرادف اللاتيني هو "sonic"، ومن ثم أصبح مصطلح " sonics " مرادفًا لمصطلح "acoustics" ^{[ 5 ]} ، ولاحقًا فرعًا من فروع علم الصوتيات. ^{[ 5 ]} تُسمى الترددات التي تقع أعلى وأدنى من النطاق المسموع " فوق صوتية " و" تحت صوتية " على التوالي.

في القرن السادس قبل الميلاد، تساءل الفيلسوف اليوناني القديم فيثاغورس عن سبب كون بعض توليفات الأصوات الموسيقية أجمل من غيرها، ووجد إجاباته في النسب العددية التي تمثل سلسلة النغمات التوافقية على الوتر. يُنسب إليه ملاحظة أنه عندما يمكن التعبير عن أطوال الأوتار المهتزة كنسب أعداد صحيحة (مثل 2 إلى 3، 3 إلى 4)، فإن النغمات الناتجة تكون متناغمة، وكلما صغرت الأعداد الصحيحة زادت تناغم الأصوات. على سبيل المثال، يُصدر وتر بطول معين صوتًا متناغمًا بشكل خاص مع وتر ضعف طوله (مع ثبات العوامل الأخرى). بعبارة أخرى، إذا أصدر وتر نغمة "دو" عند نقره، فإن وترًا ضعف طوله سيصدر نغمة "دو" أقل بأوكتاف. في أحد أنظمة الضبط الموسيقي ، تُعطى النغمات المتوسطة بالنسب التالية: 16:9 لـ D، و8:5 لـ E، و3:2 لـ F، و4:3 لـ G، و6:5 لـ A، و16:15 لـ B، بترتيب تصاعدي. ^{[ 6 ]}

أدرك أرسطو (384-322 قبل الميلاد) أن الصوت يتكون من انضغاطات وتخلخلات الهواء التي "تسقط على الهواء المجاور لها وتصطدم به..."، ^{[ 7 ] [ 8 ]} وهو تعبير دقيق عن طبيعة الحركة الموجية . ويذكر كتاب "في الأشياء المسموعة" ، المنسوب عمومًا إلى ستراتو اللامبساكي ، أن درجة الصوت مرتبطة بتردد اهتزازات الهواء وسرعة الصوت. ^{[ 9 ]}

في حوالي عام 20 قبل الميلاد، كتب المهندس المعماري الروماني فيتروفيوس رسالةً حول الخصائص الصوتية للمسارح، تضمنت مناقشةً للتداخل والصدى والتردد - وهي بدايات علم الصوتيات المعمارية . ^{[ 10 ]} في الكتاب الخامس من كتابه "دي أركيتكتورا " ( الكتب العشرة للعمارة )، وصف فيتروفيوس الصوت بأنه موجة تُشبه موجة الماء الممتدة إلى ثلاثة أبعاد، والتي، عند انقطاعها بسبب العوائق، تتدفق عائدةً وتُشتت الموجات اللاحقة. ووصف المقاعد الصاعدة في المسارح القديمة بأنها مصممة لمنع هذا التدهور في الصوت، كما أوصى بوضع أوانٍ برونزية (إيكا) بأحجام مناسبة في المسارح لتتردد مع النغمات الرابعة والخامسة وهكذا، وصولاً إلى الأوكتاف المزدوج، من أجل الرنين مع النغمات الأكثر انسجامًا وجاذبية. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

خلال العصر الذهبي الإسلامي ، يُعتقد أن أبو الريحان البيروني (973-1048) قد افترض أن سرعة الصوت كانت أبطأ بكثير من سرعة الضوء. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

شهد الفهم الفيزيائي للعمليات الصوتية تطورًا سريعًا خلال الثورة العلمية وبعدها . اكتشف غاليليو غاليلي (1564-1642)، بشكل رئيسي، وكذلك مارين ميرسين (1588-1648)، كلٌ على حدة، القوانين الكاملة لاهتزاز الأوتار (مكملين بذلك ما بدأه فيثاغورس وأتباعه قبل ألفي عام). كتب غاليليو: "تنتج الموجات عن اهتزازات جسم رنان، تنتشر عبر الهواء، حاملةً إلى طبلة الأذن منبهًا يفسره العقل على أنه صوت"، وهي عبارة لافتة تشير إلى بدايات علم الصوتيات الفيزيولوجية والنفسية. وقد أُجريت قياسات تجريبية ناجحة لسرعة الصوت في الهواء بين عامي 1630 و1680 على يد عدد من الباحثين، أبرزهم ميرسين. استلهم الباحث اليسوعي أثناسيوس كيرشر، المقيم في روما، من كتاب ميرسين " هارموني يونيفرسيل " ( التناغم الكوني ) الصادر عام 1634، فشرع في إجراء أبحاث في علم الصوتيات. ^{[ 16 ]} نشر كيرشر كتابين رئيسيين في علم الصوتيات: " موسورجيا يونيفرليس " ( صنع الموسيقى الكونية ) عام 1650 ^{[ 17 ]} و" فونورجيا نوفا " ( صنع الصوت الجديد ) عام 1673. ^{[ 18 ]} في الوقت نفسه، استنتج نيوتن (1642-1727) العلاقة الخاصة بسرعة الموجة في المواد الصلبة، وهي حجر الزاوية في علم الصوتيات الفيزيائي ( برينسيبيا ، 1687).

شهد القرن الثامن عشر تقدماً ملحوظاً في علم الصوتيات، استناداً إلى مفاهيم رياضية وفيزيائية أكثر رسوخاً، على يد أويلر (1707-1783)، ولاغرانج (1736-1813)، ودالمبير (1717-1783). وخلال هذه الحقبة، بدأت فيزياء الأوساط المتصلة، أو نظرية المجال، تتخذ بنية رياضية محددة. وظهرت معادلة الموجة في سياقات متعددة، بما في ذلك انتشار الصوت في الهواء. ^{[ 19 ]}

في القرن التاسع عشر، كان من أبرز رواد علم الصوتيات الرياضي هيلمهولتز في ألمانيا، الذي رسّخ مجال الصوتيات الفيزيولوجية، واللورد رايلي في إنجلترا، الذي جمع بين المعرفة السابقة وإسهاماته الغزيرة في هذا المجال في عمله الضخم " نظرية الصوت" (1877). وفي القرن التاسع عشر أيضًا، طوّر كلٌّ من ويتستون وأوم وهنري التناظر بين الكهرباء والصوتيات.

شهد القرن العشرون ازدهارًا كبيرًا في التطبيقات التكنولوجية للمعرفة العلمية الواسعة التي كانت متوفرة آنذاك. وكان أول هذه التطبيقات عمل سابين الرائد في مجال الصوتيات المعمارية، وتلاه العديد من التطبيقات الأخرى. استُخدمت الصوتيات تحت الماء للكشف عن الغواصات في الحرب العالمية الأولى . ولعب تسجيل الصوت والهاتف دورًا هامًا في التحول العالمي للمجتمع. ووصل قياس الصوت وتحليله إلى مستويات جديدة من الدقة والتطور بفضل استخدام الإلكترونيات والحوسبة. وأتاح نطاق الترددات فوق الصوتية أنواعًا جديدة كليًا من التطبيقات في الطب والصناعة. وتم اختراع أنواع جديدة من المحولات (مولدات ومستقبلات الطاقة الصوتية) واستخدامها.

في السوائل كالهواء والماء، تنتشر الموجات الصوتية على شكل اضطرابات في مستوى الضغط المحيط. ورغم أن هذا الاضطراب عادةً ما يكون ضئيلاً، إلا أنه يظل مسموعاً للأذن البشرية. وأصغر صوت يمكن للإنسان سماعه، والمعروف بعتبة السمع ، أصغر بتسعة مراتب من الضغط المحيط. وترتبط شدة هذه الاضطرابات بمستوى ضغط الصوت (SPL)، الذي يُقاس على مقياس لوغاريتمي بالديسيبل.

يميل الفيزيائيون ومهندسو الصوت إلى مناقشة مستويات ضغط الصوت من حيث الترددات، ويعود ذلك جزئيًا إلى كيفية تفسير آذاننا للصوت بهذه الطريقة. فما نسمعه على أنه أصوات "عالية النبرة" أو "منخفضة النبرة" هو في الواقع اهتزازات ضغط ذات عدد دورات أعلى أو أقل في الثانية. في إحدى التقنيات الشائعة لقياس الصوت، تُؤخذ عينات من الإشارات الصوتية على فترات زمنية، ثم تُعرض بأشكال أكثر دلالة، مثل نطاقات الأوكتاف أو مخططات التردد الزمني. تُستخدم هاتان الطريقتان الشائعتان لتحليل الصوت وفهم الظاهرة الصوتية بشكل أفضل.

يمكن تقسيم الطيف الصوتي إلى ثلاثة أقسام: الصوت، والموجات فوق الصوتية، والموجات تحت الصوتية. يقع نطاق الصوت بين 20 هرتز و20000  هرتز، وهو نطاق مهم لأن الأذن البشرية قادرة على سماع تردداته. ولهذا النطاق تطبيقات عديدة، منها الاتصالات الصوتية والموسيقى. أما نطاق الموجات فوق الصوتية فيشير إلى الترددات العالية جدًا: 20000  هرتز وما فوق. يتميز هذا النطاق بأطوال موجية أقصر، مما يسمح بدقة أعلى في تقنيات التصوير. وتعتمد التطبيقات الطبية، مثل التصوير بالموجات فوق الصوتية والتصوير المرن، على نطاق ترددات الموجات فوق الصوتية. وعلى الطرف الآخر من الطيف، تُعرف الترددات الأدنى بنطاق الموجات تحت الصوتية، والتي يمكن استخدامها لدراسة الظواهر الجيولوجية، مثل الزلازل.

تُسهّل الأجهزة التحليلية، مثل محلل الطيف، تصوير وقياس الإشارات الصوتية وخصائصها. ويُعدّ مخطط الطيف الناتج عن هذا الجهاز تمثيلاً بيانياً لمستويات الضغط المتغيرة مع الزمن وملامح التردد التي تُضفي على إشارة صوتية معينة طابعها المميز.

المحوّل هو جهاز لتحويل الطاقة من شكل إلى آخر. في مجال الصوتيات الكهربائية، يعني هذا تحويل الطاقة الصوتية إلى طاقة كهربائية (أو العكس). تشمل المحوّلات الصوتية الكهربائية مكبرات الصوت ، والميكروفونات ، ومستشعرات سرعة الجسيمات ، والميكروفونات المائية ، وأجهزة عرض السونار . تحوّل هذه الأجهزة الموجة الصوتية إلى إشارة كهربائية أو العكس. من أكثر مبادئ التحويل استخدامًا: الكهرومغناطيسية ، والإلكتروستاتيكا ، والكهروإجهادية .

تُعدّ المحولات في معظم مكبرات الصوت الشائعة (مثل مكبرات الصوت المنخفضة والعالية ) أجهزة كهرومغناطيسية تُولّد موجات باستخدام غشاء معلق يُحرّكه ملف صوتي كهرومغناطيسي ، مُرسلاً موجات ضغط. وتستخدم ميكروفونات الإلكتريت والميكروفونات المكثفة الكهرباء الساكنة؛ فعندما تصطدم الموجة الصوتية بغشاء الميكروفون، يتحرك الغشاء مُحدثًا تغييرًا في الجهد. أما أنظمة الموجات فوق الصوتية المستخدمة في التصوير الطبي بالموجات فوق الصوتية فتستخدم محولات كهرضغطية. تُصنع هذه المحولات من خزف خاص تتداخل فيه الاهتزازات الميكانيكية والمجالات الكهربائية من خلال خاصية للمادة نفسها.

يوجد العديد من المتخصصين في علم الصوتيات، ولكنهم عادةً ما يحملون شهادة بكالوريوس أو مؤهلاً أعلى. بعضهم حاصل على شهادة في علم الصوتيات، بينما يلتحق آخرون بهذا التخصص من خلال دراسات في مجالات أخرى كالفيزياء أو الهندسة . يتطلب العمل في مجال الصوتيات أساسًا متينًا في الرياضيات والعلوم . يعمل العديد من علماء الصوتيات في مجال البحث والتطوير . يُجري بعضهم أبحاثًا أساسية لتعزيز فهمنا لإدراك الكلام والموسيقى والضوضاء (مثل السمع ، وعلم النفس الصوتي، وعلم وظائف الأعصاب ) . بينما يُسهم آخرون في تطوير فهمنا لكيفية تأثر الصوت أثناء انتقاله عبر البيئات المختلفة، مثل الصوتيات تحت الماء ، والصوتيات المعمارية، والصوتيات الإنشائية . ترد أدناه قائمة بمجالات العمل الأخرى. يعمل علماء الصوتيات في مختبرات حكومية وجامعية وشركات خاصة. ويتجه الكثير منهم للعمل في الهندسة الصوتية . تتطلب بعض المناصب، مثل أعضاء هيئة التدريس، الحصول على درجة الدكتوراه .

علم الصوتيات الأثرية ، المعروف أيضًا باسم علم آثار الصوت، هو أحد الطرق النادرة لاستكشاف الماضي باستخدام الحواس الأخرى غير البصر. ^{[ 21 ]} يُدرس هذا العلم من خلال اختبار الخصائص الصوتية للمواقع الأثرية، بما في ذلك الكهوف. يدرس إيغور ريزكينوف، عالم الآثار الصوتية، الخصائص الصوتية للكهوف من خلال الأصوات الطبيعية كالطنين والصفير. ^{[ 22 ]} تركز النظريات الأثرية للصوتيات على الأغراض الطقوسية، بالإضافة إلى كونها وسيلة لتحديد الموقع بالصدى في الكهوف. في علم الآثار، ترتبط الأصوات والطقوس ارتباطًا وثيقًا، إذ كان يُقصد بأصوات محددة تقريب المشاركين في الطقوس من الصحوة الروحية. ^{[ 21 ]} يمكن أيضًا إيجاد أوجه تشابه بين الرسومات الجدارية في الكهوف والخصائص الصوتية للكهف؛ فكلاهما ديناميكي. ^{[ 22 ]} ولأن علم الصوتيات الأثرية فرع حديث نسبيًا من فروع علم الآثار، لا يزال اختبار الصوت في هذه المواقع الأثرية مستمرًا حتى اليوم.

علم الصوتيات الهوائية هو دراسة الضوضاء الناتجة عن حركة الهواء، مثلاً عبر الاضطرابات، وانتقال الصوت عبر الهواء السائل. طُبقت هذه المعرفة في عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي للكشف عن الطائرات قبل اختراع الرادار ، وتُطبق في الهندسة الصوتية لدراسة كيفية تخفيف ضوضاء الطائرات . يُعد علم الصوتيات الهوائية مهمًا لفهم كيفية عمل آلات النفخ الموسيقية . ^{[ 23 ]}

معالجة الإشارات الصوتية هي التلاعب الإلكتروني بالإشارات الصوتية. تشمل تطبيقاتها: التحكم النشط في الضوضاء ؛ تصميم أجهزة السمع أو زراعة القوقعة ؛ إلغاء الصدى ؛ استرجاع المعلومات الموسيقية ؛ والترميز الإدراكي (مثل MP3 أو Opus ). ^{[ 24 ]}

يشمل علم الصوتيات المعمارية (المعروف أيضًا باسم صوتيات المباني) الفهم العلمي لكيفية تحقيق جودة صوت جيدة داخل المبنى. ^{[ 25 ]} ويتضمن عادةً دراسة وضوح الكلام، وخصوصية الكلام، وجودة الموسيقى، والحد من الاهتزازات في البيئة المبنية. ^{[ 26 ]} ومن البيئات التي تُدرس عادةً المستشفيات، والفصول الدراسية، والمساكن، وقاعات العروض، واستوديوهات التسجيل والبث. وتشمل الاعتبارات الرئيسية صوتيات الغرف، وانتقال الصوت عبر الهواء والصدمات في هياكل المباني، والتحكم في الضوضاء المنقولة عبر الهواء والهيكل، والتحكم في ضوضاء أنظمة المباني والأنظمة الكهروصوتية. ^{[ 27 ]}

علم الصوتيات الحيوية هو الدراسة العلمية لحاسة السمع وأصوات الحيوانات، بالإضافة إلى كيفية تأثر الحيوانات بالصوتيات وأصوات بيئتها. ^{[ 28 ]}

يهتم هذا التخصص الفرعي بتسجيل الصوت ومعالجته وإعادة إنتاجه باستخدام الإلكترونيات. ^{[ 29 ]} وقد يشمل ذلك منتجات مثل الهواتف المحمولة ، وأنظمة الصوت العامة واسعة النطاق ، أو أنظمة الواقع الافتراضي في مختبرات الأبحاث.

علم الصوتيات البيئية هو دراسة الضوضاء والاهتزازات، وتأثيرها على الهياكل والأشياء والبشر والحيوانات.

يهدف هذا البحث بشكل أساسي إلى خفض مستويات الضوضاء والاهتزازات البيئية. ويركز العمل والبحوث النموذجية في مجال الصوتيات البيئية على تطوير النماذج المستخدمة في عمليات المحاكاة، وتقنيات القياس، واستراتيجيات الحد من الضوضاء، ووضع المعايير واللوائح. كما يركز البحث حاليًا على الاستخدام الإيجابي للصوت في البيئات الحضرية، لا سيما في مجال تصميم المناظر الصوتية وخلق الهدوء . ^{[ 30 ]}

تشمل أمثلة مصادر الضوضاء والاهتزاز السكك الحديدية، ^{[ 31 ]} وحركة المرور على الطرق، والطائرات، والمعدات الصناعية، والأنشطة الترفيهية. ^{[ 32 ]}

علم الصوتيات الموسيقية هو دراسة فيزياء الآلات الصوتية؛ ومعالجة الإشارات الصوتية المستخدمة في الموسيقى الإلكترونية؛ والتحليل الحاسوبي للموسيقى والتأليف الموسيقي، وإدراك الموسيقى وعلم الأعصاب المعرفي لها . ^{[ 33 ]}

أُجريت العديد من الدراسات لتحديد العلاقة بين الصوتيات والإدراك ، أو ما يُعرف باسم علم النفس الصوتي ، حيث يُمثل ما يسمعه المرء مزيجًا من الإدراك والجوانب البيولوجية. ^{[ 34 ]} تُفهم المعلومات التي تستقبلها الموجات الصوتية عبر الأذن وتُفسر من خلال الدماغ، مما يُؤكد الصلة بين العقل والصوتيات. وقد لوحظت تغيرات نفسية نتيجة تباطؤ أو تسارع موجات الدماغ بفعل اختلاف المحفزات السمعية، وهو ما قد يؤثر بدوره على طريقة تفكير المرء وشعوره وحتى سلوكه. ^{[ 35 ]} يُمكن ملاحظة هذه العلاقة في المواقف اليومية العادية، حيث يُمكن أن يدفع الاستماع إلى أغنية سريعة الإيقاع إلى تحريك القدم، بينما تُشعر أغنية هادئة المرء بالهدوء والسكينة. وفي دراسة بيولوجية أعمق لظاهرة علم النفس الصوتي، اكتُشف أن الجهاز العصبي المركزي يُنشط بفعل الخصائص الصوتية الأساسية للموسيقى. ^{[ 36 ]} من خلال ملاحظة كيفية تأثر الجهاز العصبي المركزي، الذي يشمل الدماغ والحبل الشوكي، بالصوتيات، يتضح المسار الذي تؤثر به الصوتيات على العقل، وبالتالي على الجسم. ^{[ 36 ]}

يدرس علماء الصوتيات إنتاج الكلام ومعالجته وإدراكه. ويُعدّ التعرف على الكلام وتوليفه مجالين مهمين في معالجة الكلام باستخدام الحواسيب. كما يتداخل هذا الموضوع مع تخصصات الفيزياء وعلم وظائف الأعضاء وعلم النفس واللغويات . ^{[ 37 ]}

علم الصوتيات الهيكلية هو دراسة حركات وتفاعلات الأنظمة الميكانيكية مع بيئاتها، بالإضافة إلى طرق قياسها وتحليلها والتحكم بها. ويتضمن هذا المجال عدة تخصصات فرعية:

• التحليل النمطي
• توصيف المواد
• مراقبة السلامة الهيكلية
• المواد الفوقية الصوتية
• الصوتيات الاحتكاكية

قد تشمل التطبيقات اهتزازات الأرض الناتجة عن السكك الحديدية؛ وعزل الاهتزازات للحد من الاهتزازات في غرف العمليات؛ ودراسة كيفية تأثير الاهتزازات سلبًا على الصحة (ظاهرة ارتعاش الأصابع الناتج عن الاهتزاز )؛ والتحكم في الاهتزازات لحماية المباني من الزلازل، أو قياس كيفية انتقال الصوت المنقول عبر الهياكل من خلال المباني. ^{[ 38 ]}

يتعامل علم الموجات فوق الصوتية مع الأصوات ذات الترددات العالية جدًا التي لا يسمعها الإنسان. وتشمل تخصصاته الموجات فوق الصوتية الطبية (بما في ذلك التصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية)، وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية ، والكيمياء الصوتية ، والاختبارات فوق الصوتية ، وتوصيف المواد، والصوتيات تحت الماء ( السونار ). ^{[ 39 ]}

علم الصوتيات تحت الماء هو الدراسة العلمية للأصوات الطبيعية والصناعية تحت الماء. تشمل تطبيقاته السونار لتحديد مواقع الغواصات ، والتواصل تحت الماء بواسطة الحيتان ، ورصد تغير المناخ عن طريق قياس درجات حرارة البحر صوتيًا، والأسلحة الصوتية ، ^{[ 40 ]} وعلم الصوتيات الحيوية البحرية. ^{[ 41 ]}

• الجمعية الصوتية الأمريكية (ASA)
• الجمعية الأسترالية للصوتيات (AAS)
• الرابطة الأوروبية للصوتيات (EAA)
• معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)
• معهد الصوتيات (IoA UK)
• جمعية هندسة الصوت (AES)
• الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، قسم التحكم في الضوضاء والصوتيات (ASME-NCAD)
• اللجنة الدولية للصوتيات (ICA)
• المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفضائية، قسم الصوتيات الهوائية (AIAA)
• الرابطة الدولية لموسيقى الكمبيوتر (ICMA)

• علم الصوتيات | مجلة متاحة للجميع من MDPI
• علم الصوتيات اليوم
• أكتا أكوستيكا متحدة مع أكوستيكا
• التطورات في علم الصوتيات والاهتزازات
• الصوتيات التطبيقية
• الصوتيات في المباني
• مجلة IEEE للمعاملات في مجال الموجات فوق الصوتية، والمواد الكهروإجهادية، والتحكم في التردد
• مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية (JASA)
• مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية، رسائل سريعة (JASA-EL)
• مجلة جمعية هندسة الصوت
• مجلة الصوت والاهتزاز (JSV)
• مجلة الاهتزازات والصوتيات، الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين
• مجلة هندسة التحكم في الضوضاء
• مجلة SAE الدولية لديناميكيات المركبات، والاستقرار، والضوضاء والاهتزازات
• الموجات فوق الصوتية (مجلة)
• الكيمياء الصوتية بالموجات فوق الصوتية
• حركة الموجة

• المؤتمر والمعرض الأوروبي لهندسة التحكم في الضوضاء (يورو نويز)
• منتدى الصوتيات
• ندوة IEEE الدولية للموجات فوق الصوتية
• المؤتمر الدولي "إنتر نويز"
• المؤتمر الدولي لهندسة الضوضاء والاهتزازات (ISMA)
• المؤتمر الدولي للصوت والاهتزاز
• المؤتمر الدولي لهندسة التحكم في الضوضاء "نويزكون"
• مؤتمر ومعرض جمعية مهندسي السيارات (SAE) للضوضاء والاهتزاز