Lyd er rundt oss. Vi bruker vår sans for lyd for å navigere i miljøet vårt, for å kommunisere og for å nyte musikk. Men hva er lyd? Hvordan lages den og hvordan overføres den fra et sted til et annet?
Hva er lydbølger?
Lyd er en type mekanisk bølge eller en svingning av materie. En bølge er en forstyrrelse som beveger seg fra ett sted til et annet i et medium. Nøkkelen her er at punktene i mediet svinger på plass mens selve forstyrrelsen beveger seg.
Tenk for eksempel på en bølge utført av en mengde i et ballspill. Viftene i setene deres fungerer som bølgemedium. Individuelt reiser de seg, løfter armene og setter seg ned igjen - de svinger på plass. Forstyrrelsen reiser imidlertid hele veien rundt stadion.
Svingninger i et medium har en tendens til å komme i en av to varianter: Tverrgående bølger svinger i rette vinkler i retning av reise (som med publikum på stadion, eller en bølge på en streng) og langsgående bølger svinger parallelt med retningen til reise.
Lydbølger er langsgående bølger. Når en lydbølge forplanter seg gjennom et medium, for eksempel luft, gjør den det ved å få luftmolekylene til å vibrere, noe som forårsaker endringer i lufttrykk, noe som resulterer i kompresjon (regioner med høyt trykk) og sjeldne forhold (regioner med lavt trykk) i luften som bølgen reiser.
Tenk på en leketøyfjær som en Slinky strukket ut over et bord med en person som holder i hver ende. Hvis en person plukker Slinky mot seg selv, vil den sende en langsgående bølge nedover Slinky. Du vil se regioner av Slinky-spolene som er tettere plassert (kompresjoner) og mer løst fordelt (sjeldne forhold). Ethvert gitt punkt i Slinky svinger frem og tilbake på plass når forstyrrelsen beveger seg fra den ene enden til den andre.
Igjen, dette er nøyaktig hva som skjer med lydbølger i luften, eller noe annet medium, for den saks skyld.
Hvordan lages lydbølger?
Akkurat som med alle andre bølger, blir lydbølger skapt av en innledende forstyrrelse eller vibrasjon. En slått innstillingsgaffel, for eksempel, vibrerer ved en bestemt frekvens. Når den beveger seg, støter den på luftmolekylene rundt den, og komprimerer dem med jevne mellomrom.
De komprimerte områdene overfører også denne energien til sine nærliggende luftmolekyler, og forstyrrelsen beveger seg gjennom luften til den når øret ditt, på hvilket tidspunkt det overfører energi til trommehinnen, som vil vibrere med samme frekvens - og tolkes av hjernen din som lyd.
Når du snakker, vibrerer du strupehodet (et lite hulrør øverst på luftrøret), som igjen vibrerer luften rundt det, som deretter forplanter lydenergien til lytteren. Ved å trekke sammen og utvide vevet i strupehodet, i tillegg til å manipulere artikulatorene i munnen din (leppene, tungen og andre munnstrukturer), kan du lage forskjellige lyder.
Alle objekter kan være lydkilder som skaper lyd på samme måte - ved å vibrere og overføre disse vibrasjonene til et tilstøtende medium, for eksempel luften.
Lydens hastighet
I tørr luft beveger lyd seg med en hastighet på
v = 331,4 + 0,6T_c
hvorTcer temperaturen i Celsius. På en vanlig dag på 20 grader Celsius (68 grader Fahrenheit), beveger lyden seg rundt 343,4 m / s. Det er omtrent 768 miles i timen!
Lydhastigheten er forskjellig i forskjellige medier. For eksempel kan hastigheten som en lydbølge vandrer i vann være større enn 1437 m / s; i tre er det 3.850 m / s; og i aluminium, over 6320 m / s!
Som hovedregel vandrer lyd raskere i materialer der molekylene er tettere på hverandre. Den beveger seg raskest i faste stoffer, nest raskest i væsker og sakte i gasser.
Eksperiment: Måling av lydens hastighet
Du kan utføre et enkelt eksperiment for å måle lydens hastighet. For å gjøre dette trenger du en lydemitterende kilde (som kan være en stemmegaffel, en håndklapp eller din egen stemme) og en reflekterende overflaten en kjent avstand fra kilden (for eksempel en solid klippevegg flere meter foran deg, eller den lukkede enden av en enkel rør).
Forutsatt at du har utstyr (og / eller reflekser raskt nok) som kan måle tidsforløpet mellom når lyden sendes ut og når den går tilbake til kildeplasseringen via et ekko fra den reflekterende overflaten, vil du ha nok informasjon til å bestemme hastighet.
Bare ta dobbelt avstanden fra kilden til den reflekterende overflaten (siden lyd beveger seg fra kilden til overflaten, og deretter tilbake igjen) og del den med tiden mellom lydemisjon og ekko.
Anta at du skriker inn i en 200 m dyp kløft og får et ekko tilbake på 1,14 sekunder. Lydhastigheten vil være 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.
Overskrider lydens hastighet
Du kan være kjent med fenomenet at visse fly bryter lydbommen. Hva dette betyr er at flyet flyr raskere enn lydhastigheten. For øyeblikket det overskrider denne hastigheten, skaper det en lydbom.
Et fly som reiser påMach 1reiser med lydens hastighet. Mach 2 er dobbelt så høy lydhastighet og så videre. Det raskeste flyet i verden var den nordamerikanske X-15, som nådde en hastighet på Mach 6,7 3. oktober 1967.
På land ble lydhastigheten brutt 15. oktober 1997 av Andy Green som gikk 763,035 miles i timen i en ThrustSSC-jetbil i Black Rock-ørkenen i Nevada.
Frekvens og bølgelengde
Frekvensen til en bølge er antall svingninger som oppstår på et gitt punkt i mediet per sekund. Den måles i enheter av hertz (Hz) hvor 1 Hz = 1 / s. Bølgelengden til en lydbølge er avstanden mellom to sammenhengende regioner med maksimal kompresjon. Det måles vanligvis i meter (m).
Hastigheten til en lydbølge,v,er direkte relatert til frekvensfbølgelengde lambda viav = λf.
Lydhastigheten i et bestemt medium avhenger ikke av frekvens eller bølgelengde, men er i stedet en konstant for det aktuelle mediet. Frekvensen til en lydbølge vil alltid matche frekvensen til lydkilden, så den avhenger ikke av mediet eller bølgehastigheten.
Derfor, i to forskjellige medier, vil frekvensene være de samme, mens hastighetene vil være spesifikke for mediumene og bølgelengdene vil variere tilsvarende. (Høy frekvens tilsvarer små bølgelengder, og omvendt.)
Frekvensområder som vanligvis kan oppdages av det menneskelige øret, går fra 64 Hz til 23 kHz, selv om folk har en tendens til å miste evnen til å høre de høyere frekvensene når de blir eldre. I kontrast kan hunder høre helt opp til omtrent 45 kHz (det er grunnen til at de reagerer på hundenes fløyter som ikke er hørbare for mennesker), kan katter høre opptil 64 kHz og niser kan høre helt opp til 150 kHz!
“I verdensrommet kan ingen høre deg skrike”
Du har uten tvil kommet over dette sitatet fra 1979-filmenRomvesen, og det er sant: lyd beveger seg ikke i vakuum. Dette er fordi det trenger et medium. Det må være noe materiale mellom lydkilden og deg for at lyden skal forplante seg.
Så alle disse romfartsscenene du ser i filmer med de høye eksplosjonene? Helt falsk! Det ville ikke være noen lyd fordi det ikke er noe medium det kan reise gjennom.
Lydintensitet og lydenergi
Lydintensitet,Jeg, er lydeffekten per enhetsareal. SI-enheten for lydintensitet er watt / m2 hvorJeg0 = 10-12 W / m2 regnes som terskelen for menneskelig hørsel. I det vanlige er lydintensitet det vi anser for å være "lydens" lyd.
En vanlig måte å presentere opplevd lydstyrke på er ved å bruke desibel (dB) -skalaen, der lydintensiteten er i desibel:
Denne skalaen er nyttig fordi mennesker ikke oppfatter lydstyrken lineært. Det vil si at en lyd med dobbelt intensitet kan virke som mer enn dobbelt så høyt når det begynte stille, og mindre enn dobbelt så høyt hvis det allerede startet noe høyt. Decibelskalaen gir tall som er mer konsistente med våre oppfatninger.
Lyden av lette pustehastigheter på omtrent 10 dB, mens samtalen i en restaurant er omtrent 60 dB. En jetflyover på 1000 ft er omtrent 100 dB. Et smertefullt tordenbrak på grensen er 120 dB, og øreproppene dine brister ved 150 dB.
Energien i en lydbølge er direkte relatert til intensiteten. Enhetene til intensitet, W / m2, er de samme som J / (sm2) eller energi i joule per sekund per kvadratmeter.
Musikkinstrumenter
Husk at lydhastigheten bare var avhengig av mediet, og ikke av bølgefrekvensen. Dette er bra fordi det ellers ville være en forferdelig opplevelse å lytte til en konsert, med forskjellige musikalske toner som nådde deg utenfor rekkefølge.
Ulike lydfrekvenser tilsvarer forskjellige tonehøyder eller musikalske toner. Når en sanger synger, produserer de forskjellige frekvenser ved å endre størrelse og form på strupehodet. Musikkinstrumenter er designet for å skape lyd av rene toner, vanligvis ved å skape stående bølger, enten i et rør eller et rør, eller langs en streng.
Tenk på et strengeinstrument som en gitar. Frekvensen som en plukket streng vibrerer avhenger av massetettheten (hvor mye masse per lengdenhet), spenningen i strengen (hvor tett den holdes) og lengden. Hvis du ser på en gitar, vil du se at hver streng har forskjellig tykkelse. Innstillingsknottene på enden av håndtaket lar deg justere strammespenningen, og båndene gir deg steder å sette fingrene på for å endre strenglengdene mens du spiller, slik at du kan lage mange forskjellige notater.
Treblås, derimot, består av hule rør hvor stående bølger kan opprettes i luftkolonner (akkurat som i strupehodet). De forskjellige tonehullene på et slikt instrument lar deg endre hvilke typer stående bølger som kan dannes, og dermed endre tonene som kan spilles.
For et instrument som en trombone, kan du også justere rørlengden ved å flytte lysbildet frem og tilbake, slik at du kan spille forskjellige frekvenser og dermed spille forskjellige toner.
Slaginstrumenter, for eksempel trommer, er avhengige av vibrasjoner fra en membran (for eksempel et trommelhode). I likhet med å plukke strengene på en gitar, når du treffer trommelhodet på forskjellige steder, dannes det stående bølger på membranen og skaper lyd. Hyppigheten og kvaliteten på lyden avhenger av størrelsen på membranen, dens tykkelse og spenning.