Tمصدر أي صوت هو جسم مهتز. يمكن لأي جسم تقريبًا أن يهتز وبالتالي يكون مصدرًا للصوت. المصادر البسيطة للصوت هي الآلات الموسيقية بشكل خاص (الأوتار الاهتزازية وأعمدة الهواء). في الآلات الموسيقية، يتم ضبط المصدر على الاهتزاز عن طريق الضرب أو النتف أو الانحناء أو النفخ. يتم إنتاج موجات واقفة ويهتز المصدر بترددات الرنين الطبيعية. يكون مصدر الاهتزاز على اتصال بالهواء (أو أي وسيلة أخرى) ويدفعه لإنتاج موجات صوتية تنتقل إلى الخارج. ترددات الموجات هي نفس ترددات المصدر، ولكن يمكن أن تكون السرعة والأطوال الموجية مختلفة. تحتوي الطبلة على غشاء ممتد يهتز. تحتوي أجهزة إكسيليفون والماريمبا على قضبان معدنية أو خشبية يمكن ضبطها على الاهتزاز. كما تستخدم الأجراس والصنج والصنوج معدنًا مهتزًا. تستخدم العديد من الآلات الأوتار المهتزة، مثل الكمان والجيتار والبيانو، أو تستخدم أعمدة الهواء المهتزة، مثل الفلوت والبوق والأرغن الأنبوبي. لقد رأينا بالفعل أن درجة الصوت النقي يتم تحديدها من خلال التردد.

عندما يضرب عازف البيانو مفتاح البيانو، تضرب مطرقة داخل البيانو سلكًا وتتسبب في اهتزازه. يتم بعد ذلك نقل اهتزازات السلك إلى لوحة صوت البيانو. أثناء اهتزاز لوحة الصوت، فإنها تمارس قوة على جزيئات الهواء المحيطة بها، مما يؤدي إلى تحرك جزيئات الهواء. نظرًا لأن هذه القوة تمارس من خلال إزاحة لوحة الصوت، فإن لوحة الصوت تعمل بالفعل على الهواء. وهكذا، عندما تهتز لوحة الصوت ذهابًا وإيابًا، تتحول طاقتها الحركية إلى موجات صوتية. وهذا هو أحد أسباب اختفاء اهتزاز لوحة الصوت تدريجيًا.

تحمل الموجات الطاقة من مكان إلى آخر. تُعطى الطاقة لموجة الماء، على سبيل المثال، عن طريق إلقاء صخرة في الماء، أو عن طريق الرياح بعيدًا في البحر. يتم نقل الطاقة عن طريق الأمواج إلى الشاطئ. تنقل اليد المتأرجحة الطاقة إلى الحبل، ويتم نقل هذه الطاقة إلى أسفل الحبل ويمكن نقلها إلى جسم في الطرف الآخر. جميع أشكال الموجات المتنقلة تنقل الطاقة.

تتكون الاهتزازات الصادرة عن وتر الآلة الموسيقية عادةً من العديد من الموجات المستقرة معًا في نفس الوقت، ولكل منها طول موجي وتردد مختلف. لذا فإن الأصوات التي تسمعها من آلة وترية، حتى تلك التي تبدو وكأنها نغمة واحدة، تتكون في الواقع من ترددات متعددة.

التداخل هو السمة المميزة للموجات، وجميعها تظهر تداخلًا بناءًا وهدامًا مشابهًا تمامًا لذلك الذي نشاهده في موجات الماء. في الواقع، إحدى الطرق لإثبات أن شيئًا ما "موجة" هي مراقبة تأثيرات التداخل. لذا، بما أن الصوت عبارة عن موجة، فإننا نتوقع أن يظهر تداخلًا، مثل إيقاعات نغمتين متشابهتين يتم تشغيلهما في وقت واحد

في كثير من الأحيان، توجد موجتان صوتيتان أو أكثر في نفس المكان وفي نفس الوقت، كما هو الحال مع الموجات الصوتية عندما يتحدث الجميع في حفلة أو عندما يتم تشغيل الموسيقى من مكبرات الصوت لنظام الاستريو.

إن إضافة النبضات الفردية معًا لتكوين نبضة ناتجة هو مثال لمفهوم أكثر عمومية يسمى مبدأ التراكب الخطي:

عندما تتواجد موجتان أو أكثر في وقت واحد في نفس المكان، فإن الاضطراب الناتج هو مجموع الاضطرابات الناجمة عن الموجات الفردية.

يمكن تطبيق هذا المبدأ على جميع أنواع الموجات، بما في ذلك الموجات الصوتية، وموجات الماء، والموجات الكهرومغناطيسية مثل الضوء، وموجات الراديو، وأشعة الميكروويف. فهو يجسد أحد أهم المفاهيم في الفيزياء، ويتناول باقي هذا المقال أمثلة متعلقة به.

التداخل البناء والهدام للموجات الصوتية

عندما تلتقي موجتان، فإنهما تتداخلان بشكل بناء إذا التقيتا دائمًا في الطور تمامًا، وبشكل مدمر إذا التقيتا دائمًا خارج الطور تمامًا. في كلتا الحالتين، هذا يعني أن أنماط الموجات لا تتغير بالنسبة لبعضها البعض مع مرور الوقت. تسمى المصادر التي تنتج موجات بهذه الطريقة مصادر متماسكة.

يدق

سنرى في هذا القسم أن موجتين متداخلتين بترددات مختلفة قليلا تؤدي إلى ظاهرة النبضات. ومع ذلك، فإن مبدأ التراكب الخطي يوفر مرة أخرى تفسيرًا لما يحدث عندما تتداخل الموجات.

يكشف مبدأ التراكب الخطي أن الموجات الصوتية المتداخلة تظهر تأثيرات تداخل، حيث يتم إعادة توزيع الطاقة الصوتية داخل منطقة التداخل. سنستخدم الآن مبدأ التراكب الخطي لاستكشاف تأثير تداخل آخر، وهو تأثير الحيود.

الموجة الدائمة هي تأثير تداخل آخر يمكن أن يحدث عندما تتداخل موجتان. يمكن أن تنشأ الموجات الموقوفة مع موجات عرضية، مثل تلك الموجودة على أوتار الجيتار، وأيضًا مع موجات صوتية طولية، مثل تلك الموجودة في الناي. على أية حال، فإن مبدأ التراكب الخطي يوفر تفسيرًا للتأثير، تمامًا كما يفعل مع الحيود والنبضات.

الموجات المستعرضة الدائمة

سلسلة الترددات الطبيعية التي تؤدي إلى وقوف الموجات على وتر مثبت عند طرفيه هي:

$$f_n = n \left( \dfrac{v}{2L} \right) \;\;\;\;\;\; n = 1,2,3,4,...$$

الموجات الطولية الدائمة

سلسلة الترددات الطبيعية التي تؤدي إلى وقوف الموجات على أنبوب مفتوح من طرفيه هي:

$$f_n = n \left( \dfrac{v}{2L} \right) \;\;\;\;\;\; n = 1,2,3,4,...$$

موجات صوتية معقدة

تنتج الآلات الموسيقية الصوت بطريقة تعتمد على الموجات المستقرة. يتم إنتاج الصوت على التردد الأساسي للأداة.

بشكل عام، مع ذلك، لا تنتج الآلة الموسيقية التردد الأساسي فقط عندما تعزف نغمة ما، ولكنها تولد في الوقت نفسه عددًا من التوافقيات أيضًا. تولد الآلات المختلفة، مثل الكمان والبوق، توافقيات بدرجات مختلفة، وتعطي التوافقيات الآلات صفاتها الصوتية المميزة أو أجراسها. لنفترض، على سبيل المثال، أن عازف الكمان وعازف البوق كلاهما يعزفان الحفلة الموسيقية A، وهي نغمة ترددها الأساسي هو 440 هرتز. على الرغم من أن كلا الأداتين تعزفان نفس النغمة، إلا أن معظم الناس يمكنهم تمييز صوت الكمان عن صوت البوق. تبدو الآلات مختلفة لأن السعات النسبية للتوافقيات (880 هرتز، 1320 هرتز، وما إلى ذلك) التي تنشئها الأدوات مختلفة.