Ljud: definition, typer, egenskaper och frekvenser

Ljud finns runt omkring oss. Vi använder vår känsla för ljud för att navigera i vår miljö, för att kommunicera och njuta av musik. Men vad är ljud? Hur tillverkas den och hur överförs den från en plats till en annan?

Ljud är en typ av mekanisk våg eller en svängning av materia. En våg är en störning som rör sig från en plats till en annan i ett medium. Nyckeln här är att punkterna i mediet svänger på plats medan själva störningen rör sig.

Tänk till exempel på en våg som gjorts av en publik på ett bollspel. Fläktarna i sina platser fungerar som vågmedium. Individuellt står de upp, lyfter armarna och lutar sig sedan tillbaka - de svänger på plats. Störningen reser dock hela vägen runt stadion.

Oscillationer i ett medium tenderar att komma i en av två sorter: tvärgående vågor oscillerar i rät vinkel mot riktningen av resor (som med publiken på arenan eller en våg på en snöre) och längsgående vågor oscillerar sig parallellt med riktningen resa.

Ljudvågor är längsgående vågor. När en ljudvåg sprids genom ett medium, såsom luft, gör den det genom att få luftmolekylerna att vibrera, vilket orsakar förändringar i lufttryck, vilket resulterar i kompressioner (regioner med högt tryck) och sällsynta (regioner med lågt tryck) i luften som våg resor.

Tänk på en leksaksfjäder som en Slinky sträckt ut över ett bord med en person som håller i båda ändarna. Om en person plockar Slinky mot sig själva kommer den att skicka en längsgående våg nerför Slinky. Du kommer att se regioner i Slinky-spolarna som är närmare placerade (kompressioner) och mer löst placerade (rarefaktioner). Varje given punkt i Slinky svänger fram och tillbaka på plats när störningen rör sig från ena änden till den andra.

Återigen är det exakt vad som händer med ljudvågor i luften eller något annat medium för den delen.

Precis som med alla andra vågor skapas ljudvågor av en initial störning eller vibration. En slagen stämgaffel vibrerar till exempel vid en viss frekvens. När den rör sig stöter den på luftmolekylerna runt den och komprimerar dem regelbundet.

De komprimerade regionerna överför också denna energi till sina närliggande luftmolekyler och störningen rör sig genom luften tills den når ditt öra, vid vilken tidpunkt det överför energi till trumhinnan, som kommer att vibrera med samma frekvens - och tolkas av din hjärna som ljud.

När du talar vibrerar du struphuvudet (ett litet ihåligt rör längst upp på luftröret), som i sin tur vibrerar luften runt det, som sedan förökar ljudenergin till lyssnaren. Genom att dra ihop och utvidga vävnaden i struphuvudet samt manipulera artikulatorerna i munnen (dina läppar, tunga och andra munstrukturer) kan du skapa olika ljud.

Alla objekt kan vara ljudkällor som skapar ljud på samma sätt - genom att vibrera och överföra dessa vibrationer till ett intilliggande medium, till exempel luften.

I torr luft rör sig ljudet med en hastighet av

varT_cär temperaturen i Celsius. På en vanlig 20-graders dag (68 grader Fahrenheit) rör sig ljudet vid cirka 343,4 m / s. Det är ungefär 768 miles i timmen!

Ljudets hastighet är olika i olika media. Till exempel kan hastigheten med vilken en ljudvåg rör sig i vatten vara större än 1437 m / s; i trä är det 3 850 m / s; och i aluminium, över 6320 m / s!

Som en allmän regel reser ljud snabbare i material där molekylerna ligger närmare varandra. Den reser snabbast i fasta ämnen, näst snabbast i vätskor och långsammast i gaser.

Du kan utföra ett enkelt experiment för att mäta ljudets hastighet. För att göra detta behöver du en ljudavgivande källa (som kan vara en stämgaffel, en handklapp eller din egen röst) och en reflekterande yta ett känt avstånd från källan (till exempel en solid klippvägg flera meter framför dig, eller den slutna änden av en enkel rör).

Förutsatt att du har utrustning (och / eller reflexer tillräckligt snabbt) som kan mäta tidsfördröjningen mellan när ljud sänds ut och när den återgår till källplatsen via ett eko från den reflekterande ytan, du kommer att ha tillräckligt med information för att bestämma hastighet.

Ta bara två gånger avståndet från källan till den reflekterande ytan (eftersom ljud rör sig från källan till ytan och sedan tillbaka igen) och dela den med tiden mellan ljudemission och eko.

Anta att du ropar in i en 200 m djup kanjon och får ett eko tillbaka på 1,14 sekunder. Ljudets hastighet skulle vara 2 × 200 / 1,14 = 351 m / s.

Du kanske känner till fenomenet att vissa flygplan bryter ljudbarriären. Vad detta betyder är att flygplanet flyger snabbare än ljudets hastighet. I det ögonblick det överstiger denna hastighet skapar det en ljudbom.

Ett flygplan som reser vidMach 1reser med ljudets hastighet. Mach 2 är dubbelt så hög som ljudet och så vidare. Världens snabbaste flygplan var den nordamerikanska X-15, som nådde en hastighet på Mach 6,7 den 3 oktober 1967.

På land bröts ljudets hastighet den 15 oktober 1997 av Andy Green som gick 763,035 miles i timmen i en ThrustSSC-jetbil i Black Rock Desert i Nevada.

Frekvensen för en våg är antalet svängningar som uppträder vid en given punkt i mediet per sekund. Det mäts i enheter av hertz (Hz) där 1 Hz = 1 / s. Våglängden för en ljudvåg är avståndet mellan två på varandra följande regioner med maximal kompression. Den mäts vanligtvis i meter (m).

Ljudvågens hastighet,v,är direkt relaterad till frekvensfvåglängd lambda viav = λf​.

Ljudets hastighet i ett visst medium beror inte på frekvens eller våglängd, utan är istället en konstant för det aktuella mediet. Frekvensen för en ljudvåg kommer alltid att matcha frekvensen för ljudkällan, så det beror inte på mediet eller våghastigheten.

Följaktligen, i två olika medier, kommer frekvenserna att vara desamma, medan hastigheterna kommer att vara specifika för mediet och våglängderna kommer att variera därefter. (Hög frekvens motsvarar små våglängder och vice versa.)

Frekvensområden som vanligtvis detekteras av det mänskliga örat löper från 64 Hz till 23 kHz, även om människor tenderar att förlora sin förmåga att höra de högre frekvenserna när de åldras. Däremot kan hundar höra hela vägen upp till cirka 45 kHz (det är därför de svarar på visselpipor som inte är hörbara för människor), kan katter höra upp till 64 kHz och tumlare kan höra hela vägen upp till 150 kHz!

Du har utan tvekan stött på detta citat från 1979-filmenUtomjording, och det är sant: ljudet rör sig inte i vakuum. Detta beror på att det behöver ett medium. Det måste finnas något material mellan ljudkällan och dig för att ljudet ska kunna spridas.

Så alla dessa rymdstridsscener du ser i filmer med de höga explosionerna? Helt falskt! Det skulle inte finnas något ljud eftersom det inte finns något medium för det att resa igenom.

Ljudintensitet,Jag, är ljudeffekten per ytenhet. SI-enheten för ljudintensitet är watt / m² varJag₀​ = 10^-12 W / m² anses vara tröskeln för mänsklig hörsel. I allmänhet är ljudintensiteten vad vi anser vara ”ljudets” ljud.

Ett vanligt sätt att presentera uppfattad ljudstyrka är att använda decibel (dB) -skalan, där ljudintensiteten är i decibel:

Denna skala är användbar eftersom människor inte uppfattar högstyrka linjärt. Det vill säga ett ljud med dubbelt så hög intensitet kan verka som mer än dubbelt så högt när det började tyst och mindre än dubbelt så högt om det redan började något högt. Decibelskalan ger siffror som överensstämmer med våra uppfattningar.

Ljudet av andningshastigheter vid cirka 10 dB, medan konversationen i en restaurang är cirka 60 dB. En jetflyover vid 1000 ft är cirka 100 dB. En smärtsam åska är 120 dB, och dina trumhinnor brister vid 150 dB.

Energin i en ljudvåg är direkt relaterad till intensiteten. Enhetsenheterna, W / m², är samma som J / (sm²) eller energi i joule per sekund per kvadratmeter.

Kom ihåg att ljudets hastighet bara berodde på mediet och inte på frekvensen för vågen. Det här är bra för annars skulle det vara en hemsk upplevelse att lyssna på en konsert, med olika musiknoter som når dig ur ordning.

Olika ljudfrekvenser motsvarar olika tonhöjder eller musiknoter. När en sångare sjunger producerar de olika frekvenser genom att ändra struphuvudets storlek och form. Musikinstrument är utformade för att skapa ljud av rena toner, typiskt genom att skapa stående vågor, vare sig det är i ett rör eller rör, eller längs en sträng.

Tänk på ett stränginstrument som en gitarr. Frekvensen med vilken en plockad tråd vibrerar beror på dess massdensitet (hur mycket massa per längdenhet), spänningen i strängen (hur tätt den hålls) och dess längd. Om du tittar på en gitarr ser du att varje sträng har olika tjocklek. Inställningsknapparna på änden av handtaget gör att du kan justera strängspänningen och banden ger dig ställen för fingrarna för att ändra stränglängderna när du spelar, så att du kan skapa många olika anteckningar.

Träblåsare består däremot av ihåliga rör där stående vågor kan skapas i luftkolumner (precis som i struphuvudet). De olika tonhålen på ett sådant instrument låter dig ändra de typer av stående vågor som kan bildas och därmed ändra tonerna som kan spelas.

För ett instrument som en trombon kan du också justera rörlängden genom att flytta bilden fram och tillbaka, vilket möjliggör olika frekventa stående vågor och därmed olika toner att spelas.

Slaginstrument, såsom trummor, förlitar sig på vibrationer från ett membran (såsom ett trumhuvud). Precis som att plocka en gitarrs strängar, när du slår trumhuvudet på olika platser, bildas stående vågor på membranet och skapar ljud. Ljudets frekvens och kvalitet beror på membranets storlek, dess tjocklek och spänning.