درجة ونوعية الصوت

درجة الصوت هي إدراكنا الكيفي لما إذا كان صوت موسيقى معين (أي نغمة موسيقية) عالية (حاداً) كصوت مغنى الأوبرا السوبرانو، أو منخفضاً (غليظاً) كصوت مغنى الأوبرا الباس. ولدراسة درجة الصوت وعلاقتها بخواص الصوت الأخرى، يمكننا الاستعانة بالتجربة البسيطة الآتية. عندما يعمل مجهار عالي الجودة مستمداً طاقته من نظام كهربائي يولد قوة جيبية سيكون الصوت المنبعث من مجهار على شكل موجة جيبية نقية تقريباً ، ويكون ترددها مساوياً لتردد النظام الكهربائي. وتعتبر إشارة الاختبار التي تذيعها محطات الإرسال الإذاعي احد أشهر الأمثلة للصوت ذي التردد الواحد، ويستطيع أي شخص غير أصم للطبقات الصوتية أن يقارن درجة هذا الصوت بدرجة أي صوت آخر. وإذا رفعنا تردد القوة الحافزة سوف يزداد بالتالي تردد الصوت المنبعث من الجهاز، وعندئذ سوف يلاحظ السامع ان درجة الصوت الجديد اعلى من درجة الصوت الأول. وفي هاتين الحالتين تعتبر درجة الصوت مرادفاً لتردد الصوت قريباً. والعكس صحيح كذلك، فإذا انخفض التردد تنخفض درجة الصوت بالتبعية.

ومع ذلك فإن الموجات الصوتية وحيدة التردد ليست شائعة بين الأصوات التي نسمعها عادة. فإذا نقر أحد اوتار الكمان مثلاً باليد او بالقوس فلن تكون الموجة الصوتية الصادرة منه موجة جيبية نقية. ويستطيع اي شخص أن يتحقق من ذلك بسهولة عندما يقارن النغمة التي يحصل عليها عازف كمان ماهر بالنغمة التي يحصل عليها عازف مبتدئ. ففي الحالة الأولى تكون النغمة تامة وشجية، بينما قد يحصل العازف المبتدئ على أصوات خشنة  ذات صريف ومثيرة للأعصاب من نفس الوتر . ويقال عندئذ ان نوعية النغمة مختلفة في الحالتين.

يمكن ان يهتز الوتر اهتزازاً رنينياً بأكثر من طريقة واحدة، ويوضح الشكل ((1 بعض الأنماط الاهتزازية البسيطة للوتر وأسماء هذه الأنماط. ونظراً لأن النسبة بين الاطوال الموجية في الحالات المبينة هي 1, 1/2, 1/3, 1/4 وحيث أن f =v/λ، فإن ترددات الاهتزاز لهذه الأنماط تكون 1, 2, 3, 4.

ومع ذلك فإن من الصعوبة بمكان أن نسبب اهتزاز الوتر كما هو موضح في كل من الأنماط المبينة بالشكل ((1 بالضبط. وبدلاً من ذلك، إذا أمررنا القوس على الوتر بالقرب من إحدى نهايتيه، كما يحدث دائماً، سوف يهتز الوتر بعدة طرق مختلفة معاً، ويتسبب ذلك في ظهور عدة توافقيات في نفس الوقت. ولإيجاد الاهتزاز الناتج يصبح من الضروري علينا جمع موجات مختلف التوافقيات المثارة. وحيث أن التوافقيات المثارة تختلف في السعة عن بعضها البعض، يجب علينا بالطبع استخدام السعة الصحيحة المناسبة لكل توافقية على حدة في عملية الجمع.

الشكل (1): أبسط أربعة أنماط اهتزازية للموجات المستقرة على وتر.

ويوضح الشكل (2) نموذجياً لاهتزاز وتر من أوتار الكمان، حيث تمثل سعة الاهتزاز لمختلفة التوافقيات في الشكل بأطوال الأعمدة الرأسية. ويلاحظ في هذه الحالة أن جميع التوافقيات ضعيفة نسبياً باستثناء التوافقيتين الأوى والثانية. وبالرغم من ذلك فإن النغمة التي تسمعها الأذن سوف تختلف بالضرورة عن النغمة التي تسمعها عند وجود التوافقية الأولى او الثانية وحدها.

ويوضح الشكل ((2 أيضاً الأشكال البيانية المماثلة في حالة أصوات بعض الآلات الموسيقية الأخرى. ويمكننا أن نرى من هذا الشكل أن وتر البيانو يعطي عدداً أكبر من التوافقيات بالمقارنة بوتر الكمان. وربما يكون ذلك راجعاً إلى الطريقة المستخدمة في هز الوتر. ففي حالة الكمان يمرر العازف القوس على الوتر ببطء ونعومة ، بينما يثار اهتزاز وتر البيانو بواسطة ضربة من المطرقة.

يستنتج مما سبق أن نوعية الصوت تعتمد على عدد التوافقيات المكونة له والسعة النسبية لمختلف هذه التوافقيات.  وإذا كانت جميع الأصوات موجات جيبية نقية فإن هذا سوف يفقد الأصوات قدراً كبيراً من تنوعها. وعندئذ ستكون نغمة جميع الأصوات البشرية واحدة ، وعندئذ سوف يمكن تمييز صوت الشخص بالتردد المميز في مقام الصوت او ارتفاع فقط. كذلك فإن الموسيقى سوف تفقد قدراً كبيراً من جمالها لو كانت نوعية جميع الأصوات واحدة.