Lyd: Definition, typer, egenskaber og frekvenser

Lyd er overalt omkring os. Vi bruger vores sans for lyd til at navigere i vores miljø, kommunikere og nyde musik. Men hvad er lyd? Hvordan fremstilles det, og hvordan overføres det fra et sted til et andet?

Lyd er en type mekanisk bølge eller en svingning af stof. En bølge er en forstyrrelse, der bevæger sig fra et sted til et andet i et medium. Nøglen her er, at punkterne i mediet svinger på plads, mens selve forstyrrelsen bevæger sig.

Overvej for eksempel en bølge udført af en skare ved et boldspil. Fans på deres pladser fungerer som bølgemedium. Individuelt rejser de sig op, løfter armene og sætter sig derefter ned igen - de svinger på plads. Forstyrrelsen rejser dog hele vejen rundt om stadionet.

Oscillationer i et medium har tendens til at komme i en af ​​to varianter: Tværgående bølger svinger i ret vinkel i retning af rejse (som med publikum på stadion eller en bølge på en snor) og langsgående bølger svinger parallelt med retningen af rejse.

Lydbølger er langsgående bølger. Når en lydbølge spredes gennem et medium, såsom luft, gør det det ved at få luftmolekylerne til at vibrere, hvilket forårsager ændringer i lufttryk, hvilket resulterer i kompressioner (regioner med højt tryk) og sjældenhed (regioner med lavt tryk) i luften som bølgen rejser.

Tænk på et legetøjsfjeder som en Slinky strakt ud over et bord med en person, der holder begge ender. Hvis en person plukker Slinky mod sig selv, vil den sende en længdebølge ned ad Slinky. Du vil se regioner i Slinky-spolerne, der er tættere placeret (kompressioner) og mere løst fordelt (sjældne forhold). Ethvert givet punkt i Slinky svinger frem og tilbage på plads, når forstyrrelsen bevæger sig fra den ene ende til den anden.

Igen er dette nøjagtigt hvad der sker med lydbølger i luften eller ethvert andet medium for den sags skyld.

Ligesom med enhver anden bølge skabes lydbølger af en indledende forstyrrelse eller vibration. En ramt tuninggaffel vibrerer for eksempel med en bestemt frekvens. Når det bevæger sig, støder det ind i luftmolekylerne omkring det og periodisk komprimerer dem.

De komprimerede regioner overfører også denne energi til deres nærliggende luftmolekyler, og forstyrrelsen bevæger sig gennem luften, indtil den når dit øre, på hvilket tidspunkt det overfører energi til din trommehinde, som vil vibrere med samme frekvens - og fortolkes af din hjerne som lyd.

Når du taler, vibrerer du strubehovedet (et lille hulrør øverst på din luftrør), som igen vibrerer luften omkring det, som derefter formerer lydenergien til lytteren. Ved at trække sig sammen og udvide vævet i strubehovedet samt manipulere artikulatorerne i munden (dine læber, tunge og andre mundstrukturer) kan du skabe forskellige lyde.

Alle objekter kan være lydkilder, der skaber lyd på samme måde - ved at vibrere og overføre disse vibrationer til et tilstødende medium, såsom luften.

I tør luft bevæger lyden sig med en hastighed på

hvorT_cer temperaturen i Celsius. På en standard dag på 20 grader Celsius (68 grader Fahrenheit) bevæger lyden sig omkring 343,4 m / s. Det er cirka 768 miles i timen!

Lydens hastighed er forskellig i forskellige medier. For eksempel kan hastigheden, hvormed en lydbølge bevæger sig i vand, være større end 1.437 m / s; i træ er det 3.850 m / s; og i aluminium, over 6.320 m / s!

Som hovedregel bevæger lyd hurtigere i materialer, hvor molekylerne er tættere på hinanden. Det bevæger sig hurtigst i faste stoffer, næst hurtigste i væsker og langsomst i gasser.

Du kan udføre et simpelt eksperiment for at måle lydens hastighed. For at gøre dette skal du bruge en lydemitterende kilde (som kan være en tuningsgaffel, en håndklap eller din egen stemme) og en reflekterende overflade en kendt afstand væk fra kilden (såsom en solid klintvæg flere meter foran dig eller den lukkede ende af en simpel rør).

Forudsat at du har udstyr (og / eller reflekser hurtigt nok), der kan måle tidsforløbet mellem når lyd udsendes og når det vender tilbage til kildeplaceringen via et ekko ud af den reflekterende overflade, du har nok information til at bestemme fart.

Du skal blot tage dobbelt afstanden fra kilden til den reflekterende overflade (da lyd bevæger sig fra kilden til overfladen og derefter tilbage igen) og divider den med tiden mellem lydemission og ekko.

Antag som et eksempel, at du råber ind i en 200 m dyb kløft og får et ekko tilbage på 1,14 sekunder. Lydhastigheden ville være 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.

Du er måske bekendt med fænomenet, at visse fly bryder lydbarrieren. Hvad dette betyder er, at flyet flyver hurtigere end lydens hastighed. I det øjeblik det overstiger denne hastighed, skaber det en lydbom.

Et fly, der rejser vedMach 1kører med lydens hastighed. Mach 2 er dobbelt så høj som lyd og så videre. Det hurtigste fly i verden var den nordamerikanske X-15, som nåede en hastighed på Mach 6,7 den 3. oktober 1967.

På land blev lydhastigheden brudt den 15. oktober 1997 af Andy Green, der gik 763.035 miles i timen i en ThrustSSC-jetbil i Black Rock-ørkenen i Nevada.

Frekvensen af ​​en bølge er antallet af svingninger, der forekommer på et givet punkt i mediet pr. Sekund. Det måles i enheder af hertz (Hz), hvor 1 Hz = 1 / s. Bølgelængden af ​​en lydbølge er afstanden mellem to på hinanden følgende områder med maksimal kompression. Det måles typisk i enheder (meter).

Lydbølgens hastighed,v,er direkte relateret til frekvensfbølgelængde lambda viav = λf​.

Lydens hastighed i et bestemt medium afhænger ikke af frekvens eller bølgelængde, men er i stedet en konstant for det pågældende medium. Frekvensen af ​​en lydbølge svarer altid til lydkildens frekvens, så det afhænger ikke af mediet eller bølgehastigheden.

Derfor, i to forskellige medier, vil frekvenserne være de samme, mens hastigheder vil være specifikke for mediet, og bølgelængderne vil variere i overensstemmelse hermed. (Høj frekvens svarer til små bølgelængder og omvendt.)

Frekvensområder, der typisk kan detekteres af det menneskelige øre, løber fra 64 Hz til 23 kHz, selvom folk har tendens til at miste deres evne til at høre de højere frekvenser, når de bliver ældre. I modsætning hertil kan hunde høre hele vejen op til ca. 45 kHz (det er derfor, de reagerer på hundefløjter der ikke er hørbare for mennesker), kan katte høre op til 64 kHz og marsvin kan høre helt op til 150 kHz!

Du er uden tvivl stødt på dette citat fra filmen fra 1979Fremmede, og det er sandt: lyd bevæger sig ikke i vakuum. Dette er fordi det har brug for et medium. Der skal være noget materiale mellem lydkilden og dig, for at lyden kan udbredes.

Så alle disse rumkampsscener, du ser i film med de høje eksplosioner? Helt falsk! Der ville ikke være nogen lyd, fordi der ikke er noget medium, den kan rejse igennem.

Lydintensitet,jeg, er lydeffekten pr. enhedsenhed. SI-enheden til lydintensitet er watt / m² hvorjeg₀​ = 10^-12 W / m² betragtes som tærsklen for menneskelig hørelse. I almindelighed er lydintensitet det, vi anser for at være lydens ”lydstyrke”.

En almindelig måde at præsentere opfattet lydstyrke på er ved hjælp af decibel (dB) -skalaen, hvor lydintensiteten er i decibel:

Denne skala er nyttig, fordi mennesker ikke opfatter lydstyrken lineært. Det vil sige, at en lyd med dobbelt intensitet kan virke som mere end dobbelt så høj, når den startede stille, og mindre end dobbelt så høj, hvis den allerede startede noget højt. Decibelskalaen giver tal, der er mere konsistente med vores opfattelser.

Lyden af ​​lette vejrtrækningshastigheder på ca. 10 dB, mens samtalen i en restaurant er omkring 60 dB. En jetoverflyvning ved 1.000 fod er ca. 100 dB. En smertefuld tordenklap ved grænsen er 120 dB, og dine øre-trommer brister ved 150 dB.

Energien i en lydbølge er direkte relateret til intensiteten. Enhedsenhederne, W / m², er de samme som J / (sm²) eller energi i joule pr. sekund pr. kvadratmeter.

Husk, at lydens hastighed kun var afhængig af mediet og ikke af bølgefrekvensen. Dette er en god ting, fordi det ellers ville være en frygtelig oplevelse at lytte til en koncert med forskellige musikalske noter, der når dig ud af rækkefølge.

Forskellige lydfrekvenser svarer til forskellige tonehøjder eller musiknoter. Når en sanger synger, producerer de forskellige frekvenser ved at ændre størrelse og form på strubehovedet. Musikinstrumenter er designet til at skabe lyd af rene toner, typisk ved at skabe stående bølger, hvad enten det er i et rør eller et rør eller langs en streng.

Overvej et strengeinstrument såsom en guitar. Den frekvens, hvormed en plukket streng vibrerer, afhænger af dens massefylde (hvor meget masse pr. Længdeenhed), spændingen i strengen (hvor tæt den holdes) og dens længde. Hvis du ser på en guitar, vil du se, at hver streng har forskellige tykkelser. Afstemningsknapperne i enden af ​​håndtaget giver dig mulighed for at justere strengespændingen, og båndene giver dig steder at lægge fingrene for at ændre strenglængderne, mens du spiller, så du kan oprette mange forskellige noter.

Træblæsere derimod består af hule rør, hvor stående bølger kan oprettes i luftkolonner (ligesom i strubehovedet). De forskellige tonehuller på et sådant instrument giver dig mulighed for at ændre de typer stående bølger, der kan dannes, og dermed ændre de toner, der kan spilles.

For et instrument som en trombone kan du også justere rørlængden ved at bevæge glideren frem og tilbage, hvilket giver mulighed for forskellige frekvenser stående bølger og dermed forskellige toner, der skal spilles.

Percussive instrumenter, såsom trommer, er afhængige af vibrationer fra en membran (såsom et trommehoved). Ligesom at plukke strengene på en guitar, når du rammer trommehovedet forskellige steder, dannes der stående bølger på membranen og skaber lyd. Frekvensen og kvaliteten af ​​lyden afhænger af membranens størrelse, dens tykkelse og spænding.