مقالة حول خصائص وتطبيقات الموجات الصوتية

الصوت هو عبارة عن موجات تمتلك القدرة على الانتقال ضمن وسط مادي، مثل الهواء والغازات والسوائل والأجسام الصلبة.

لكن، لا يمكن لهذه الموجات الانتقال في الفراغ، وتستطيع الكائنات الحية الإحساس بهذه الموجات بفضل حاستي الأذن والسمع.

الموجات الصوتية في علم الفيزياء

يعرف الصوت في السياق الفيزيائي بأنه اهتزاز ميكانيكي في الوسط، ويتقسم إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

الموجات الطولية

• وهي الموجات التي تنتشر في الأوساط الغازية والسوائل والبلازما، وتتفرد بكونها نتاج تخلخل وتضاغط.
• تُعرَف أيضاً بالموجات الضغطية، حيث تتكون من طبقات متراصة فوق بعضها البعض.
• يبدأ الضغط فيها بالازدياد ومن ثم ينخفض بشكل تدريجي، وتتحرك في نفس اتجاه الموجة.

الموجات المستعرضة أو العرضية

تحتوي هذه الموجات على قمم وقيعان تنتقل عبر الأوساط الصلبة، على شكل موجات متتابعة ومتعامدة مع اتجاه انتشار الصوت.

تنتشر هذه الموجات بشكل عمودي على تموّجها.

الموجات السطحية

في هذا النوع من الموجات الصوتية، تكون الحركة دورانية تحدث على سطح الوسط الذي تنتقل عبره الموجة الصوتية، وتقل سرعتها وقوتها كلما انحدرت إلى أعماق الوسط.

أنواع الموجات الصوتية

يمكن تصنيف الموجات الصوتية وفقاً لتردداتها إلى ثلاثة أنواع رئيسية كما يلي:

الموجات السمعية

• هذه هي الموجات التي بإمكان الإنسان سماعها وتمييزها.
• واقع الأمر، يتمكن الإنسان من التفاعل مع هذه الموجات بسهولة ضمن نطاق ترددات بين 20 هرتز و20 كيلو هرتز.

الموجات فوق السمعية

• تمثل هذه الموجات ترددات تتجاوز قدرة الإنسان على سماعها أو تمييزها.
• تتجاوز ترددات هذه الموجات 20 كيلو هرتز، وعادة ما تُستخدم في الفحوصات الطبية لأعضاء الجسم الداخلية وتعرف باسم السونار.

الموجات تحت السمعية

• هذه الموجات تكون خافتة جداً لدرجة أن الإنسان غير قادر على سماعها.
• تتراوح تردداتها أقل من 20 هرتز، وتستخدم عادة في دراسة ما تحت سطح الأرض.
• مثل استكشاف النفط وأجهزة قياس الزلازل وغيرها.

خصائص الموجات الصوتية

• الحركة الاهتزازية، الناتجة عن تأثير الصوت على جزيئات الوسط، مما يؤدي إلى اهتزازها.
• تواتر الاهتزاز في الوسط الذي تنتقل من خلاله.
• سرعة الصوت، والتي تختلف بحسب الوسط الذي تمر فيه الموجات الصوتية.
  • حيث تكون أسرع في الأوساط الصلبة مقارنةً بالغازات أو السوائل.
• شدة الصوت، تعبر عن كمية الطاقة الناتجة عن تأثير الموجات الصوتية في وحدة مساحة قدرها سنتيمتر مربع في الوسط أثناء مرور الموجة الصوتية.
  • تُقاس هذه الطاقة بوحدات الديسبل الفيزيائية.
• ضغط الصوت، وهو الفرق الناتج بين ضغط الهواء المحيط وضغط الموجة الصوتية.
  • يستخرج هذا الفرق من خلال حساب الجذر التربيعي لمربعات الاختلاف.
• سعة الموجة الصوتية، تعتبر من العوامل التي تؤثر على مقدار طاقة الموجة.
  • تتناسب طاقة الموجة الصوتية مع سعتها تناسباً طردياً.
  • تعرف سعة الموجة الصوتية بأنها المسافة بين القمة والقاع حيث يختفي تموج الموجة.
• سرعة انتشار وتحرك الموجة الصوتية في الوسط، أو سرعة تجديد ذاتها.
  • تقاس هذه السرعة بوحدات قياس السرعة، وهي وحدة الطول مقسومة على وحدة الزمن، مما يجعل وحدة قياس سرعة الموجة متر/ثانية.

استخدامات الموجات الصوتية

يعتمد الصوت على الاهتزازات الناتجة عن الموجات من المصدر الذي تنتقل عبره إلى الغلاف الجوي.

تنتج هذه الاهتزازات موجات من الطاقة، وتمكن الإنسان من استغلال هذه الموجات في عدة مجالات ضمن حياته اليومية.

الاتصالات

• بدون الموجات الصوتية، لن يتمكن البشر من التواصل اللفظي.
• تعتبر الحبال الصوتية هي المصدر الذي يقوم بتوليد الموجات الصوتية، التي تنتقل عبر الهواء إلى آذان الآخرين.
• تمكن الإنسان من استغلال هذه التقنية في اختراع وتطوير وسائل الاتصال الحديثة.
• مثل الراديو والتلفزيون والهاتف، حيث أُستخدمت في مجالات الحياة المختلفة.

استكشاف المحيطات

• تستخدم الموجات الصوتية بشكل أساسي في أجهزة السونار، والتي تملك تطبيقات استكشافية عديدة.
• تساعد في استكشاف المحيطات، حيث تُرسل أجهزة السونار إلى قاع المحيطات.
  • وعند اصطدامها بأي جسم تطلق ترددات معينة.
• يقوم العلماء بقياس صدى هذه الموجات لتحديد المسافة وحجم الجسم المعني.
• كما تعتمد السفن البحرية على نفس التقنية للعثور على الغواصات ومعرفة مواقعها.

استكشاف الموارد الجوفية

• يقوم الجيولوجيون باستخدام الموجات الصوتية لاستكشاف موارد النفط تحت الأرض.
• يحدث ارتداد للموجات الصوتية من أعماق الأرض، مما يمكّن العلماء من قياس طريقة انتقالها.
  • فذلك يساعد في التعرف على تركيب وكثافة الأرض، وكذلك في التنبؤ بالزلازل.
• كما يساهم في دراسة الكثير من الظواهر الأخرى المتعلقة بالطبيعة الجيولوجية للأرض.

الصيد

• تُستخدم هذه التقنية ليس فقط من قبل الإنسان، بل تعتمد العديد من الكائنات الحية على الأمواج الصوتية للصيد والحصول على الغذاء.
• خاصةً الخفافيش التي تعتمد على إصدار موجات صوتية بشكل محدد، لتعود إليها الخلفية فهي تقيس وجود الفرائس والمسافة بينها.
• وعلى نفس النسق، تستخدم الدلافين نفس التقنية للتواصل وتحديد مواقعها.

الموجات فوق الصوتية

• تُعرف أيضاً بالتخطيط الصوتي أو التخطيط التشخيصي الطبي، وهي تقنية تُستخدم في تصوير الأعضاء الداخلية للجسم.
  • تعتمد على استخدام موجات عالية التردد، تنتج صورًا دقيقة لجسم الإنسان من الداخل.
  • تُستخدم هذه التقنية لتشخيص الأمراض وتحديد العلاج المناسب لها.
• عادةً ما يتم استخدام هذه التقنية في الفحوصات الطبية externally، إذ يتم وضع جهاز الموجات فوق الصوتية على الجلد.
  • لكن في بعض الحالات، يمكن استخدامه داخل الجسم لفحوصات أكثر دقة، كالسونار المهبلي.
• تُستخدم تقنية الموجات فوق الصوتية في تشخيص حالات طبية مختلفة، ومنها فحص الرحم.
  • ومتابعة حالة الجنين خلال الحمل وفحص المبيضين.
  • كما تُستخدم في متابعة التبويض وعلاج حالات تأخر الحمل.
  • لفحص أمراض البروستاتا والمشكلات المتعلقة بالأعضاء التناسلية.
• أيضاً تُستخدم في توجيه الإبرة خلال إجراء خزعة أو لعلاج الأورام.
  • فضلاً عن فحص الغدة الدرقية والكشف عن تكتلات الثدي.
  • تساعد هذه الفحوصات في تشخيص الأمراض بدقة وتحديد العلاج المناسب.
• عادةً ما يتم إجراء الفحوصات دون أي استعدادات خاصة مسبقًا.
  • باستثناء بعض الحالات المتعلقة بفحص المرارة، حيث يطلب الطبيب الصوم عن الطعام والشراب لمدة ست ساعات.
• في سياق الفحص للحوض أو المثانة، عادةً ما ينصح الطبيب بشرب كميات وفيرة من المياه قبل الفحص.
  • ذلك يساعد على توضيح المثانة بشكل أدق، ومن ثم الحصول على تشخيص أفضل.