Geluid is overal om ons heen. We gebruiken ons gevoel voor geluid om door onze omgeving te navigeren, om te communiceren en om van muziek te genieten. Maar wat is geluid? Hoe wordt het gemaakt en hoe wordt het van de ene locatie naar de andere verzonden?
Wat zijn geluidsgolven?
Geluid is een soort mechanische golf of een oscillatie van materie. Een golf is een storing die zich in een medium van de ene naar de andere locatie voortplant. De sleutel hier is dat de punten in het medium op hun plaats oscilleren terwijl de storing zelf reist.
Denk bijvoorbeeld aan een golf die door een menigte wordt gedaan bij een balspel. De ventilatoren in hun stoelen dienen als golfmedium. Individueel staan ze op, heffen hun armen op en gaan dan weer zitten - ze oscilleren op hun plaats. De storing reist echter helemaal rond het stadion.
Oscillaties in een medium hebben de neiging om in een van twee varianten te komen: transversale golven oscilleren loodrecht op de richting van reizen (zoals bij het publiek in het stadion, of een golf aan een touwtje) en longitudinale golven oscilleren evenwijdig aan de richting van reizen.
Geluidsgolven zijn longitudinale golven. Wanneer een geluidsgolf zich voortplant door een medium, zoals lucht, doet hij dit door de luchtmoleculen te laten trillen, wat veranderingen in luchtdruk, resulterend in compressies (regio's van hoge druk) en verdunningen (regio's van lage druk) in de lucht als de golf reizen.
Denk aan een speelgoedveer zoals een Slinky uitgestrekt over een tafel met één persoon die beide uiteinden vasthoudt. Als één persoon de Slinky naar zich toe plukt, zal het een longitudinale golf langs de Slinky sturen. Je zult gebieden van de Slinky-spoelen zien die dichter bij elkaar liggen (compressies) en meer losjes uit elkaar liggen (rarefactions). Elk bepaald punt in de Slinky oscilleert heen en weer op zijn plaats terwijl de storing van het ene uiteinde naar het andere gaat.
Nogmaals, dit is precies wat er gebeurt met geluidsgolven in de lucht, of welk ander medium dan ook.
Hoe ontstaan geluidsgolven?
Net als bij elke andere golf worden geluidsgolven gecreëerd door een eerste verstoring of trilling. Een aangeslagen stemvork bijvoorbeeld trilt op een bepaalde frequentie. Terwijl het beweegt, botst het tegen de luchtmoleculen eromheen, waardoor ze periodiek worden samengedrukt.
De gecomprimeerde regio's dragen deze energie ook over aan hun naburige luchtmoleculen en de verstoring beweegt zich door de lucht totdat deze de bereikt je oor, waarna het energie overbrengt naar je trommelvlies, dat met dezelfde frequentie zal trillen - en door je hersenen wordt geïnterpreteerd als geluid.
Als je spreekt, tril je je strottenhoofd (een kleine holle buis aan de bovenkant van je luchtpijp), die op zijn beurt de lucht eromheen laat trillen, die vervolgens de geluidsenergie naar de luisteraar verspreidt. Door het weefsel in uw strottenhoofd samen te trekken en uit te zetten en door de articulatoren in uw mond te manipuleren (uw lippen, tong en andere mondstructuren), kunt u verschillende geluiden creëren.
Alle objecten kunnen geluidsbronnen zijn die op dezelfde manier geluid creëren - door te trillen en die trillingen over te brengen op een aangrenzend medium, zoals de lucht.
De snelheid van geluid
In droge lucht reist geluid met een snelheid van
v = 331,4 + 0,6T_c
waarTcis de temperatuur in Celsius. Op een standaard dag van 20 graden Celsius (68 graden Fahrenheit) reist geluid met ongeveer 343,4 m/s. Dat is ongeveer 768 mijl per uur!
De snelheid van het geluid is verschillend in verschillende media. De snelheid waarmee een geluidsgolf zich in water voortplant kan bijvoorbeeld groter zijn dan 1.437 m/s; in hout is het 3.850 m/s; en in aluminium, meer dan 6.320 m/s!
Als algemene regel geldt dat geluid sneller reist in materialen waar de moleculen dichter bij elkaar staan. Het reist het snelst in vaste stoffen, het op één na snelst in vloeistoffen en het langzaamst in gassen.
Experiment: de geluidssnelheid meten
U kunt een eenvoudig experiment uitvoeren om de geluidssnelheid te meten. Hiervoor heb je een geluidsbron nodig (dit kan een stemvork, een handgeklap of je eigen stem zijn) en een reflecterend oppervlak op een bekende afstand van de bron (zoals een stevige rotswand enkele meters voor u, of het gesloten uiteinde van een eenvoudig buis).
Mits je apparatuur (en/of reflexen snel genoeg) hebt die het tijdsverloop kan meten tussen het moment waarop geluid wordt uitgezonden en het moment waarop het keert terug naar de bronlocatie via een echo van het reflecterende oppervlak, dan heb je genoeg informatie om de snelheid.
Neem gewoon tweemaal de afstand van de bron tot het reflecterende oppervlak (aangezien geluid reist van de bron naar de oppervlakte en dan weer terug) en deel het door de tijd tussen geluidsemissie en echo.
Stel bijvoorbeeld dat je in een 200 meter diepe kloof schreeuwt en een echo terugkrijgt in 1,14 seconden. De geluidssnelheid zou 2 × 200 / 1,14 = 351 m/s zijn.
De snelheid van geluid overschrijden
U kent wellicht het fenomeen van bepaalde vliegtuigen die de geluidsbarrière doorbreken. Dit betekent dat het vliegtuig sneller vliegt dan de snelheid van het geluid. Op het moment dat het deze snelheid overschrijdt, creëert het een sonische knal.
Een vliegtuig dat vliegt opMach 1reist met de snelheid van het geluid. Mach 2 is twee keer de snelheid van het geluid enzovoort. Het snelste vliegtuig ter wereld was de Noord-Amerikaanse X-15, die op 3 oktober 1967 een snelheid van Mach 6,7 bereikte.
Op het land werd de geluidssnelheid op 15 oktober 1997 verbroken door Andy Green, die 763.035 mijl per uur reed in een ThrustSSC-straalauto in de Black Rock Desert in Nevada.
Frequentie en golflengte
De frequentie van een golf is het aantal trillingen dat per seconde op een bepaald punt in het medium optreedt. Het wordt gemeten in eenheden van hertz (Hz) waarbij 1 Hz = 1/s. De golflengte van een geluidsgolf is de afstand tussen twee opeenvolgende gebieden met maximale compressie. Het wordt meestal gemeten in meters (m).
De snelheid van een geluidsgolf,v,is direct gerelateerd aan frequentiefgolflengte lambda viav = f.
De geluidssnelheid in een bepaald medium is niet afhankelijk van de frequentie of golflengte, maar is in plaats daarvan een constante van dat specifieke medium. De frequentie van een geluidsgolf zal altijd overeenkomen met de frequentie van de geluidsbron, het is dus niet afhankelijk van het medium of de golfsnelheid.
Daarom zullen in twee verschillende media de frequenties hetzelfde zijn, terwijl de snelheden specifiek zijn voor de media en de golflengten dienovereenkomstig zullen variëren. (Hoge frequentie komt overeen met kleine golflengten en vice versa.)
Frequentiebereiken die typisch detecteerbaar zijn door het menselijk oor, lopen van 64 Hz tot 23 kHz, hoewel mensen de neiging hebben om hun vermogen om de hogere frequenties te horen te verliezen naarmate ze ouder worden. Honden daarentegen kunnen tot ongeveer 45 kHz horen (daarom reageren ze op hondenfluitjes) die voor mensen onhoorbaar zijn), kunnen katten tot 64 kHz horen en bruinvissen tot 150 kHz khz!
“In de ruimte kan niemand je horen schreeuwen”
Je bent ongetwijfeld dit citaat uit de film uit 1979 tegengekomenBuitenaards wezen, en het is waar: geluid reist niet in een vacuüm. Dit komt omdat het een medium nodig heeft. Er moet wat materiaal tussen de geluidsbron en jou zitten om het geluid te laten voortplanten.
Dus al die ruimtegevechtscènes die je in films ziet met de luide explosies? Helemaal vals! Er zou geen geluid zijn omdat er geen medium is om doorheen te reizen.
Geluidsintensiteit en geluidsenergie
Geluidsintensiteit,ik, is het geluidsvermogen per oppervlakte-eenheid. De SI-eenheid voor geluidsintensiteit is watt/m2 waarik0 = 10-12 W/m2 wordt beschouwd als de drempel voor het menselijk gehoor. In de volksmond is geluidsintensiteit wat we beschouwen als de "luidheid" van een geluid.
Een gebruikelijke manier om de waargenomen geluidssterkte weer te geven, is door de decibel (dB) schaal te gebruiken, waarbij de geluidsintensiteit in decibel is:
Deze schaal is handig omdat mensen luidheid niet lineair waarnemen. Dat wil zeggen, een geluid met twee keer de intensiteit kan meer dan twee keer zo luid lijken als het rustig begon, en minder dan twee keer zo hard als het al wat luid begon. De decibelschaal geeft cijfers die beter aansluiten bij onze perceptie.
Het geluid van licht ademt met ongeveer 10 dB, terwijl een gesprek in een restaurant ongeveer 60 dB is. Een jet-viaduct op 1.000 ft is ongeveer 100 dB. Een pijnlijke donderslag op de grens is 120 dB, en je trommelvlies barst bij 150 dB.
De energie in een geluidsgolf is direct gerelateerd aan de intensiteit. De eenheden van intensiteit, W/m2, zijn hetzelfde als J/(sm2) of energie in joule per seconde per vierkante meter.
Muziekinstrumenten
Bedenk dat de geluidssnelheid alleen afhing van het medium en niet van de frequentie van de golf. Dit is een goede zaak, want anders zou het luisteren naar een concert een vreselijke ervaring zijn, met verschillende muzieknoten die je niet in de juiste volgorde bereiken.
Verschillende frequenties van geluid komen overeen met verschillende toonhoogtes of muzieknoten. Wanneer een zanger zingt, produceren ze verschillende frequenties door de grootte en vorm van hun strottenhoofd te veranderen. Muziekinstrumenten zijn ontworpen om geluid van pure tonen te creëren, meestal door staande golven te creëren, of dit nu in een buis of pijp is, of langs een snaar.
Denk aan een snaarinstrument zoals een gitaar. De frequentie waarmee een getokkelde snaar trilt, hangt af van de massadichtheid (hoeveel massa per lengte-eenheid), de spanning in de snaar (hoe strak deze wordt vastgehouden) en de lengte. Als je naar een gitaar kijkt, zul je zien dat elke snaar een andere dikte heeft. Met de afstemknoppen aan het uiteinde van het handvat kun je de snaarspanning aanpassen, en de frets geven je plaatsen om je vingers te plaatsen om de snaarlengtes te veranderen terwijl je speelt, zodat je veel verschillende kunt creëren notities.
Houtblazers daarentegen bestaan uit holle buizen waar staande golven in luchtkolommen kunnen worden gecreëerd (net als in je strottenhoofd). De verschillende toongaten op zo'n instrument stellen je in staat om de soorten staande golven die zich kunnen vormen te veranderen, en dus ook de noten die kunnen worden gespeeld.
Voor een instrument zoals een trombone kun je ook de buislengte aanpassen door de schuif heen en weer te bewegen, waardoor staande golven met verschillende frequenties en dus verschillende noten kunnen worden gespeeld.
Percussie-instrumenten, zoals drums, vertrouwen op trillingen van een membraan (zoals een drumvel). Net zoals bij het tokkelen van de snaren van een gitaar, wanneer je op verschillende locaties op het drumvel slaat, vormen zich staande golven op het membraan, waardoor geluid ontstaat. De frequentie en kwaliteit van het geluid is afhankelijk van de grootte van het membraan, de dikte en spanning.