وحدة قياس شدة الصوت، بمعناها الفيزيائي، هي الواط لكل متر مربع. أما الديسيبل فيعبر عن مستوى محسوب من نسبة إلى قيمة مرجعية. لذلك لا نستبدل رمز W/m² برمز dB كما نستبدل مترًا بسنتيمتر؛ نحتاج معرفة المرجع واستعمال قانون لوغاريتمي. سنوضح الفرق بالأمثلة قبل قراءة الأرقام على مقياس الصوت. [1]
ما معنى الشدة بالواط لكل متر مربع؟
الشدة I هي القدرة الصوتية التي تعبر وحدة مساحة عمودية على اتجاه انتشار الموجة. عندما تكون القدرة موزعة بانتظام على المساحة المعينة، نكتب I = P/A. القدرة P بالواط، والمساحة A بالمتر المربع، فتكون الشدة W/m². [1]
مثال افتراضي: تعبر قدرة صوتية 0.0006 واط مساحة 0.03 م² بانتظام. الشدة I = 0.0006/0.03 = 0.02 واط/م². هذا حساب عند المساحة المحددة؛ ليس بالضرورة قدرة المصدر كاملة موزعة على كل المكان.
الشدة ليست تردد الصوت. التردد يقاس بالهرتز ويصف عدد الدورات في الثانية، ويرتبط بحدة النغمة. يمكن تغيير سعة موجة مع بقاء ترددها ثابتًا، كما في الرسم.
كيف نحسب مستوى الشدة بالديسيبل؟
إذا رمزنا لمستوى الشدة بـ β، فإن β = 10 log₁₀(I/I₀) بالديسيبل. نستعمل في المثال المرجع الشائع I₀ = 10⁻¹² W/m². اللوغاريتم عشري، والنسبة داخل القوس بلا وحدة. مستوى الشدة ليس الشدة نفسها. [1]
لشدة I = 2 × 10⁻⁸ W/m² تصبح النسبة I/I₀ = 2 × 10⁴، فيكون β = 10 log₁₀(20,000) ≈ 43.01 ديسيبل. وإذا عرفنا المستوى، نستخرج الشدة بالعكس: I = I₀ × 10^(β/10).
صفر ديسيبل يعني أن الشدة تساوي المرجع المختار، لأن لوغاريتم 1 يساوي صفرًا. لا يعني انعدام الطاقة الصوتية. ويمكن أن يكون مستوى نسبة أقل من المرجع سالبًا؛ مثلًا I = 0.1I₀ يعطي −10 ديسيبل. [1]
زيادة المستوى ليست ضربًا للأرقام
فرق مستويي شدتين، باستخدام المرجع نفسه، هو Δβ = 10 log₁₀(I₂/I₁). فإذا تضاعفت الشدة، كان الفرق 10 log₁₀2 ≈ 3.01 ديسيبل، وليس ضعف قيمة المستوى الأصلي.
| نسبة الشدة الجديدة إلى القديمة | فرق المستوى | ما الذي تغير؟ |
|---|---|---|
| 2 | ≈ 3.01 dB | الشدة تضاعفت |
| 4 | ≈ 6.02 dB | الشدة صارت أربعة أمثال |
| 10 | 10 dB | الشدة صارت عشرة أمثال |
| 0.25 | ≈ −6.02 dB | الشدة هبطت إلى الربع |
في موجة جيبية تسير في الوسط نفسه، تتناسب الشدة مع مربع سعة تغير الضغط. مضاعفة السعة تعطي شدة أكبر بأربع مرات، أي زيادة نحو 6.02 ديسيبل. هذا لا يساوي بالضرورة قول إن المستمع يشعر بعلو أكبر أربع مرات؛ الإدراك الحسي يتأثر بالتردد والسامع وغيرهما. [1][3]
مستوى ضغط الصوت ومراجع القياس
تقيس أدوات كثيرة تغير ضغط الصوت وتعرض مستواه بالديسيبل. ضغط الصوت نفسه يقاس بالباسكال، وله مستوى نسبي يختلف تعريفه عن مقدار الشدة. للضغط الفعال في الهواء، يستخدم مرجع شائع p₀ = 20 μPa، ويكتب L_p = 20 log₁₀(p_rms/p₀). [3]
عامل 20 هنا مرتبط بأن القدرة تتناسب مع مربع سعة الضغط في الظروف المناسبة. لا نضع نسبة شدتين في صيغة 20، ولا نسبة ضغطين في صيغة 10 دون تربيعها. يجب قراءة الكمية والمرجع قبل تفسير الرقم.
قد تظهر علامة dB(A) لتشير إلى وزن ترددي معين للقياس. لذلك لا تكفي كلمة «ديسيبل» وحدها لإثبات أن قراءتين تحت ظروف مختلفة متطابقتان؛ افحص المرجع والوزن الترددي ونوع المستوى. [3]
ما أثر الابتعاد عن المصدر؟
في نموذج مصدر نقطي يبث بالتساوي في كل الاتجاهات، من دون امتصاص أو انعكاسات، تنتشر القدرة على سطح كرة مساحتها 4πr². لذلك I = P/(4πr²)، وتكون النسبة I₂/I₁ = (r₁/r₂)². [2]
إذا زادت المسافة من متر إلى مترين، أصبحت الشدة ربع قيمتها عند المتر، والفرق في المستوى نحو −6.02 ديسيبل. وعند 4 أمتار تصبح الشدة 1/16 من قيمتها عند المتر، والفرق نحو −12.04 ديسيبل.
هذا النموذج لا يصف تلقائيًا غرفة فيها جدران تعكس الصوت أو مصدرًا يوجه الصوت إلى جهة محددة. في المكان الفعلي تتداخل الهندسة والانعكاسات والامتصاص؛ لهذا نذكر شروط المثال بدل تحويله إلى حكم عام على كل صوت. [3]
ما الذي تتحقق منه في السؤال؟
- هل المطلوب قدرة بالواط، أو شدة بالواط/م²، أو مستوى بالديسيبل؟
- هل أعطيت القيمة المرجعية المستعملة في حساب المستوى؟
- هل المقارنة بين شدتين أم سعتَي ضغط؟
- هل نموذج المسافة يفترض مصدرًا نقطيًا ومجالًا حرًا؟
هذه الأسئلة تمنع الخلط بين وحدة مقدار فيزيائي ومقياس نسبي. وإذا رأيت صفرًا أو قيمة سالبة بالديسيبل، ابدأ بالمرجع قبل استنتاج أن الصوت غير موجود.
المصادر ومتابعة القراءة
- OpenStax: الشدة ومستواها والمقياس اللوغاريتمي (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
- OpenStax: انتشار الطاقة على سطح كروي (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
- OSHA: ضغط الصوت ومراجع الديسيبل والمجال الحر (يفتح في نافذة جديدة)osha.gov
أُعدّ هذا المقال بصياغة عربية أصلية بالاستناد إلى المصادر أعلاه، وهو مدخل تمهيدي إلى الموضوع. اقرأ منهجية المحتوى وحدوده.