Lyd

Lyd. Når en tromme bliver slået, tromlehovedet vibrerer, og vibrationerne overføres gennem luften i form af bølger. Når de rammer øret, disse bølger frembringer følelsen af ​​lyd. Der er også lyd, der ikke kan høres, dog:infralyd, under omfanget af menneskelig hørelse, og ultralyd, over rækkevidden af ​​menneskelig hørelse.

Termer, der bruges i studiet af lyd Akustik er videnskaben om lyd og dens virkninger på mennesker. Kondens er et område i en lydbølge, hvor lydmediet er tættere end normalt. Decibel (dB) er den enhed, der bruges til at måle intensiteten af en lyd. A 3, 000-hertz tone på 0 dB er den blødeste lyd, som et normalt menneskeligt øre kan høre. Frekvens af en lyd er antallet af lydbølger, der passerer et givet punkt hvert sekund. Hertz er den enhed, der bruges til at måle frekvensen af ​​lydbølger. En hertz er lig med en cyklus (vibration, eller lydbølge) pr. sekund. En lyds intensitet er et mål for kraften i dens bølger. Lydstyrke refererer til, hvor stærk en lyd ser ud, når vi hører den. Støj er en lyd, der er ubehagelig, irriterende, og distraherende.Pitch er graden af ​​højhed eller lavhed af en lyd, når vi hører den.Refleksion er et område i en lydbølge, hvor tætheden af ​​lydmediet er mindre end normalt. resonansfrekvens er den frekvens, hvormed et objekt ville vibrere naturligt ved forstyrrelse. Lydmedium er et stof, hvori lydbølger bevæger sig. Luft, for eksempel, er et lydmedium. lydkvalitet, kaldes også timbre, er et kendetegn ved musikalske lyde. Lydkvalitet skelner mellem toner af samme frekvens og intensitet, der produceres af forskellige musikinstrumenter. Ultralyd er lyd med frekvenser over det menneskelige hørselsområde - det vil sige, over 20, 000 hertz.Bølgelængde er afstanden mellem ethvert punkt på en bølge og det tilsvarende punkt på den næste bølge.

Teknisk set, lyd er defineret som en mekanisk forstyrrelse, der bevæger sig gennem et elastisk medium - et materiale, der har en tendens til at vende tilbage til sin oprindelige tilstand efter at have været deformeret. Mediet behøver ikke være luft; metal, træ, sten, glas, vand, og mange andre stoffer leder lyd, mange af dem bedre end luft.

Der er rigtig mange lydkilder. Kendte former omfatter vibrationer i en persons stemmebånd, vibrerende strenge (klaver, violin), en vibrerende luftsøjle (trompet, fløjte), og vibrerende faste stoffer (en dør, når nogen banker på). Det er umuligt at nævne dem alle, fordi alt, hvad der forstyrrer et elastisk medium (som, for eksempel, en eksploderende fyrværkeri til den omgivende luft) er en lydkilde.

Lyd kan beskrives i form af tonehøjde-fra den lave rumlen fra fjernt torden til den høje summen af ​​en myg-og lydstyrke. Pitch og loudness, imidlertid, er subjektive kvaliteter; de afhænger delvist af lytterens sans for hørelse. Objektiv, målbare lydkvaliteter omfatter frekvens og intensitet, som er relateret til tonehøjde og lydstyrke. Disse vilkår, såvel som andre, der bruges til at diskutere lyd, forstås bedst ved en undersøgelse af lydbølger og deres adfærd.

Lydhastighed i forskellige medier Medium Hastighed i fod pr. Sekund Hastighed i meter pr. Sekund Luft ved 59 grader F. (15 grader C) 1, 116340 Aluminium 16, 0005, 000Brick 11, 9803, 650 Destilleret vand ved 77 grader F. (25 grader C) 4, 9081, 496 Glas 14, 9004, 540 Hav ved 77 grader F. (25 grader C) 5, 0231, 531Stål 17, 1005, 200 Træ (ahorn) 13, 4804, 110

Indhold

1. Lydbølger
2. Lydens hastighed
3. Adfærd af lydbølger
4. Lydkvalitet
5. Historie

Lydbølger

Luft, ligesom alle sager, består af molekyler. Selv en lille luftregion indeholder et stort antal luftmolekyler. Molekylerne er i konstant bevægelse, rejse tilfældigt og med stor fart. De kolliderer konstant med og rebounder fra hinanden og slår og rebounder fra objekter, der er i kontakt med luften.

Et vibrerende objekt vil producere lydbølger i luften. For eksempel, når hovedet på en tromle bliver ramt med en hammer, tromlehovedet vibrerer og producerer lydbølger. Det vibrerende tromlehoved frembringer lydbølger, fordi det bevæger sig skiftevis udad og indad, skubber imod, derefter bevæge sig væk fra, luften ved siden af. Luftmolekylerne, der rammer tromlehovedet, mens den bevæger sig udad, vender tilbage fra den med mere end deres normale energi og hastighed, efter at have modtaget et skub fra tromlehovedet. Disse hurtigere bevægelige molekyler bevæger sig ind i den omgivende luft. I et øjeblik, derfor, området ved siden af ​​tromlehovedet har en større end normal koncentration af luftmolekyler - det bliver et område med kompression. Når de hurtigere bevægelige molekyler overhaler luftmolekylerne i den omgivende luft, de kolliderer med dem og videregiver deres ekstra energi. Kompressionsområdet bevæger sig udad, da energien fra det vibrerende tromlehoved overføres til grupper af molekyler længere og længere væk.

Luftmolekyler, der rammer tromlehovedet, mens det bevæger sig indad, vender tilbage fra det med mindre end deres normale energi og hastighed. I et øjeblik, derfor, området ved siden af ​​tromlehovedet har færre luftmolekyler end normalt - det bliver et område med sjældenhed. Molekyler, der kolliderer med disse langsommere molekyler, vender også tilbage med mindre hastighed end normalt, og sjældenhedsområdet rejser udad.

Lydens bølgetype bliver tydelig, når der tegnes en graf for at vise ændringer i koncentrationen af ​​luftmolekyler på et tidspunkt, når de vekslende pulser af kompression og sjældenhed passerer dette punkt. Grafen for en enkelt ren tone, såsom den, der produceres af en stemmegaffel. Kurven viser ændringer i koncentration. Det begynder, vilkårligt, på et tidspunkt, hvor koncentrationen er normal, og en komprimeringspuls netop ankommer. Afstanden fra hvert punkt på kurven fra den vandrette akse angiver, hvor meget koncentrationen varierer fra normalt.

Hver komprimering og den følgende sjældenhed udgør en cyklus. (En cyklus kan også måles fra ethvert punkt på kurven til det næste tilsvarende punkt.) Frekvensen af ​​en lyd måles i cyklusser pr. Sekund, eller hertz (forkortet Hz). Amplituden er den største mængde, hvormed koncentrationen af ​​luftmolekyler varierer fra det normale.

Bølgelængden af ​​en lyd er den afstand, forstyrrelsen kører i løbet af en cyklus. Det er relateret til lydens hastighed og frekvens med formlen hastighed/frekvens =bølgelængde. Det betyder, at højfrekvente lyde har korte bølgelængder og lavfrekvente lyde lange bølgelængder. Det menneskelige øre kan registrere lyde med frekvenser så lave som 15 Hz og så høje som 20, 000 Hz. I stille luft ved stuetemperatur, lyde med disse frekvenser har bølgelængder på henholdsvis 23 fod og 1,8 cm.

Intensitet refererer til mængden af ​​energi, der overføres af forstyrrelsen. Det er proportional med kvadratet af amplituden. Intensitet måles i watt pr. Kvadratcentimeter eller i decibel (db). Decibelskalaen er defineret som følger:En intensitet på 10-16 watt pr. Kvadratcentimeter er lig med 0 db. (Skrevet i decimalform, 10-16 vises som 0.0000000000000001.) Hver ti-dobling i watt pr. Kvadratcentimeter betyder en stigning på 10 db. Således kan en intensitet på 10-15 watt pr. Kvadratcentimeter også udtrykkes som 10 db og en intensitet på 10-4 (eller 0,0001) watt pr. Kvadratcentimeter som 120 db.

Intensiteten af ​​lyd falder hurtigt med stigende afstand til kilden. For en lille lydkilde, der udstråler energi ensartet i alle retninger, intensiteten varierer omvendt med kvadratet af afstanden fra kilden. Det er, i en afstand af to fod fra kilden er intensiteten en fjerdedel lige så stor, som den er i en afstand af en fod; på tre fod er den kun en niende så stor som ved en fod, etc.

Tonehøjde

Pitch afhænger af frekvensen; generelt, en stigning i frekvens forårsager en fornemmelse af stigende tonehøjde. Evnen til at skelne mellem to lyde, der er tæt på frekvens, imidlertid, falder i de øvre og nedre dele af det hørbare frekvensområde. Der er også variation fra person til person i evnen til at skelne mellem to lyde med næsten den samme frekvens. Nogle uddannede musikere kan registrere forskelle i frekvens så lille som 1 eller 2 Hz.

På grund af den måde, høremekanismen fungerer på, opfattelsen af ​​tonehøjde påvirkes også af intensitet. Således når en stemmegaffel, der vibrerer ved 440 Hz (frekvensen A over midten C på klaveret) bringes tættere på øret, en lidt lavere tone, som om gaflen vibrerede langsommere, bliver hørt.

Når lydkilden bevæger sig med relativt høj hastighed, en stationær lytter hører en lyd højere i tonehøjde, når kilden bevæger sig mod ham eller hende, og en lyd lavere i tonehøjde, når kilden bevæger sig væk. Dette fænomen, kendt som Doppler -effekten, skyldes lydens bølgetype.

Højhed

Generelt, en stigning i intensitet vil forårsage en fornemmelse af øget lydstyrke. Men lydstyrken stiger ikke i direkte forhold til intensiteten. En lyd på 50 dB har ti gange intensiteten af ​​en lyd på 40 dB, men er kun dobbelt så højt. Loudness fordobles med hver stigning på 10 dB i intensitet.

Lydstyrke påvirkes også af frekvens, fordi det menneskelige øre er mere følsomt over for nogle frekvenser end for andre. Tærsklen for hørelse - den laveste lydintensitet, der vil producere hørselsfornemmelse for de fleste mennesker - er omkring 0 dB i 2, 000 til 5, 000 Hz frekvensområde. For frekvenser under og over dette område, lyde skal have større intensitet for at blive hørt. Dermed, for eksempel, en lyd på 100 Hz er knap hørbar ved 30 dB; en lyd på 10, 000 Hz er knap hørbar ved 20 dB. Ved 120 til 140 dB oplever de fleste fysiske ubehag eller faktiske smerter, og dette intensitetsniveau kaldes smertegrænsen.

Lydens hastighed

Lydets hastighed afhænger af elasticiteten og densiteten af ​​mediet, hvorigennem den bevæger sig. Generelt, lyd bevæger sig hurtigere i væsker end i gasser og hurtigere i faste stoffer end i væsker. Jo større elasticitet og jo lavere densitet, den hurtigere lyd bevæger sig i et medium. Det matematiske forhold er hastighed =(elasticitet/densitet).

Effekten af ​​elasticitet og densitet på lydens hastighed kan ses ved at sammenligne lydens hastighed i luft, brint, og jern. Luft og brint har næsten de samme elastiske egenskaber, men densiteten af ​​brint er mindre end luftens. Lyd bevæger sig dermed hurtigere (cirka 4 gange så hurtigt) i brint end i luft. Selvom luftens tæthed er meget mindre end jernets, jernets elasticitet er meget større end luftens. Lyd bevæger sig dermed hurtigere (cirka 14 gange så hurtigt) i jern end i luft.

Lydens hastighed i et materiale, især i en gas eller væske, varierer med temperaturen, fordi en ændring i temperaturen påvirker materialets densitet. I luften, for eksempel, lydens hastighed øges med en stigning i temperaturen. Ved 32 ° F. (0 ° C.), lydens hastighed i luften er 1, 087 fod i sekundet (331 m/s); ved 68 ° F. (20 ° C.), det er 1, 127 fod i sekundet (343 m/s).

Udtrykkene subsonisk og supersonisk refererer til et objekts hastighed, såsom et fly, i forhold til lydens hastighed i den omgivende luft. En subsonisk hastighed er under lydens hastighed; en supersonisk hastighed, over lydens hastighed. Et objekt, der bevæger sig med supersonisk hastighed, producerer stødbølger frem for almindelige lydbølger. En chokbølge er en kompressionsbølge, der, når de produceres i luft, kan normalt høres som en lydbom.

Hastighederne på supersoniske objekter udtrykkes ofte i form af Mach -antal - forholdet mellem objektets hastighed og lydens hastighed i den omgivende luft. Således bevæger et objekt, der bevæger sig ved Mach 1, med lydens hastighed; ved Mach 2 kører den med dobbelt så høj lydhastighed.

Adfærd af lydbølger

Ligesom lysbølger og andre bølger, lydbølger reflekteres, brydes, og diffrakteret, og udvise interferens.

Afspejling

Lyd reflekteres konstant fra mange forskellige overflader. For det meste bliver den reflekterede lyd ikke bemærket, fordi to identiske lyde, der når det menneskelige øre med mindre end 1/15 sekund fra hinanden, ikke kan skelnes som separate lyde. Når den reflekterede lyd høres separat, det kaldes et ekko.

Lyd reflekteres fra en overflade i samme vinkel, som den rammer overfladen. Denne kendsgerning gør det muligt at fokusere lyd ved hjælp af buede reflekterende overflader på samme måde som buede spejle kan bruges til at fokusere lys. Det redegør også for virkningerne af såkaldte hviskende gallerier, rum, hvor et ord hviskede på et tidspunkt kan høres tydeligt på et andet sted temmelig langt væk, selvom det ikke kan høres andre steder i rummet. (Statuary Hall of the United States Capitol er et eksempel.) Refleksion bruges også til at fokusere lyd i en megafon og når man ringer gennem hænder.

Refleksion af lyd kan udgøre et alvorligt problem i koncertsale og auditorier. I en dårligt designet hall, en talers første ord kan genklang (ekko gentagne gange) i flere sekunder, så lytterne kan høre alle ordene i en sætning ekko på samme tid. Musik kan på samme måde forvrænges. Sådanne problemer kan normalt korrigeres ved at dække reflekterende overflader med lydabsorberende materialer, f.eks. Gardiner eller akustiske fliser. Tøj absorberer også lyd; derfor er efterklangen større i en tom hal end i en fyldt med mennesker. Alle disse lydabsorberende materialer er porøse; lydbølger, der kommer ind i de små luftfyldte rum, hopper rundt i dem, indtil deres energi er brugt. De er, træde i kræft, fanget.

Refleksion af lyd bruges af nogle dyr, især flagermus og tandhvaler, til ekkolokalisering - lokalisering, og i nogle tilfælde identificere, genstande gennem hørselssansen frem for synssansen. Flagermus og tandhvaler udsender lydudbrud af frekvenser langt over de øvre grænser for menneskelig hørelse, så højt som 200, 000 Hz for hvaler. Lyde med korte bølgelængder reflekteres selv fra meget små objekter. En flagermus kan fejlagtigt lokalisere og fange selv en myg i totalt mørke. Ekkolod er en kunstig form for ekkolokalisering.

Brydning

Når en bølge passerer fra et materiale til et andet i en vinkel, det ændrer normalt hastighed, får bølgefronten til at bøje. Brydning af lyd kan demonstreres i et fysiklaboratorium ved hjælp af en linseformet ballon fyldt med kuldioxid for at bringe lydbølger i fokus.

Diffraktion

Når lydbølger passerer omkring en forhindring eller gennem en åbning i en forhindring, kanten af ​​forhindringen eller åbningen fungerer som en sekundær lydkilde, sender bølger af samme frekvens og bølgelængde (men med lavere intensitet) som den originale kilde. Spredningen af ​​lydbølger fra den sekundære kilde kaldes diffraktion. På grund af dette fænomen, lyden kan høres rundt om hjørner på trods af, at lydbølger generelt bevæger sig i en lige linje.

Interferens

Når bølger interagerer, opstår interferens. For lydbølger forstås fænomenet måske bedst ved at tænke i form af komprimeringer og sjældenheder i de to bølger, når de ankommer på et tidspunkt. Når bølgerne er i fase, så deres kompressioner og sjældenheder falder sammen, de forstærker hinanden (konstruktiv interferens). Når de er ude af fase, så kompressionerne af den ene falder sammen med de sjældne i den anden, de har en tendens til at svække eller endda annullere hinanden (destruktiv interferens). Samspillet mellem de to bølger producerer en resulterende bølge.

I auditorier, destruktiv interferens mellem lyd fra scenen og lyd, der reflekteres fra andre dele af salen, kan skabe døde steder, hvor både lydstyrke og lydklarhed er dårlig. Sådan interferens kan reduceres ved brug af lydabsorberende materialer på reflekterende overflader. På den anden side, interferens kan forbedre et auditoriums akustiske kvaliteter. Dette gøres ved at arrangere de reflekterende overflader på en sådan måde, at lydniveauet faktisk øges i det område, hvor publikum sidder.

Interferens mellem to bølger med næsten, men ikke helt lige frekvenser, producerer en tone med skiftevis stigende og faldende intensitet, fordi de to bølger konstant falder ind og ud af fase. De hørte pulsationer kaldes beats. Klavertunere gør brug af denne effekt, justere tonen i en streng i forhold til en standard stemmegaffel, indtil beats ikke længere kan høres.

Lydkvalitet

Lyde af en enkelt ren frekvens produceres kun ved at stemme gafler og elektroniske enheder kaldet oscillatorer; de fleste lyde er en blanding af toner af forskellige frekvenser og amplituder. Tonerne produceret af musikinstrumenter har en vigtig egenskab til fælles:de er periodiske, det er, vibrationerne forekommer i gentagne mønstre. Oscilloskopsporet af en trompets lyd viser et sådant mønster. For de fleste ikke-musikalske lyde, som f.eks. en sprængningsballon eller en person, der hoster, et oscilloskopspor ville vise en hakket, uregelmæssigt mønster, angiver et virvar af frekvenser og amplituder.

En luftsøjle, som i en trompet, og en klaverstreng har begge en grundlæggende frekvens - den frekvens, hvormed de vibrerer lettest, når de sættes i gang. For en vibrerende luftsøjle, denne frekvens bestemmes hovedsageligt af længden af ​​søjlen. (Trompetens ventiler bruges til at ændre den effektive længde af søjlen.) For en vibrerende streng, grundfrekvensen afhænger af strengens længde, dens spænding, og dens masse pr. længdeenhed.

Ud over den grundlæggende frekvens, en streng eller vibrerende luftsøjle producerer også overtoner med frekvenser, der er heltalsmultipler af grundfrekvensen. Det er antallet af producerede overtoner og deres relative styrke, der giver en musikalsk tone fra en given kilde dens karakteristiske kvalitet, eller klang. Tilføjelsen af ​​yderligere overtoner ville producere et kompliceret mønster, som for oscilloskopets spor af trompetens lyd.

Hvordan grundfrekvensen for en vibrerende streng afhænger af strengens længde, spænding, og masse pr. længdeenhed er beskrevet af tre love:

1. Grundfrekvensen for en vibrerende streng er omvendt proportional med dens længde.

At reducere længden af ​​en vibrerende streng med halvdelen vil fordoble dens frekvens, hæve tonehøjden med en oktav, hvis spændingen forbliver den samme.

2. Grundfrekvensen for en vibrerende streng er direkte proportional med kvadratroden af ​​spændingen.

Forøgelse af spændingen i en vibrerende streng øger frekvensen; hvis spændingen laves fire gange så stor, frekvensen er fordoblet, og tonehøjden hæves med en oktav.

3. Grundfrekvensen for en vibrerende streng er omvendt proportional med kvadratroden af ​​massen pr. Længdeenhed.

Det betyder, at af to strenge af samme materiale og med samme længde og spænding, den tykkere streng har den lavere grundfrekvens. Hvis massen pr. Længdenhed for den ene streng er fire gange den anden, den tykkere streng har en grundlæggende frekvens halvdelen af ​​den tyndere streng og frembringer en tone en oktav lavere.

Historie

En af de første opdagelser vedrørende lyd blev gjort i det sjette århundrede f.Kr. af den græske matematiker og filosof Pythagoras. Han bemærkede forholdet mellem længden af ​​en vibrerende streng og den tone, den frembringer - hvad der nu er kendt som den første strengenes lov. Pythagoras kan også have forstået, at lydfølelsen skyldes vibrationer. Ikke længe efter hans tid blev det erkendt, at denne fornemmelse afhænger af vibrationer, der rejser gennem luften og rammer trommehinden.

Omkring 1640 foretog den franske matematiker Marin Mersenne de første forsøg for at bestemme lydens hastighed i luften. Mersenne krediteres også for at have opdaget strengers anden og tredje lov. I 1660 demonstrerede den britiske videnskabsmand Robert Boyle, at lydoverførsel krævede et medium - ved at vise, at der ikke kunne høres en ringeklokke i en krukke, hvorfra luften var pumpet.

Ernst Chladni, en tysk fysiker, lavede omfattende analyser af lydproducerende vibrationer i slutningen af ​​1700'erne og begyndelsen af ​​1800'erne. I 1801 opdagede den franske matematiker Fourier, at så komplekse bølger som dem, der frembringes af en vibrerende streng med alle dens overtoner, består af en række simple periodiske bølger.

Meget arbejde med bølger generelt blev udført i løbet af 1800 -tallet. Thomas Young, en engelsk fysiker, forskede især på diffraktion og interferens. Christian Johann Doppler fra Østrig formulerede det matematiske forhold mellem de faktiske og opfattede frekvenser af bølger, når bølgernes kilde bevæger sig i forhold til observatøren.

Et vigtigt bidrag til forståelsen af ​​akustik blev leveret af Wallace Clement Sabine, fysiker ved Harvard University, i slutningen af ​​1890'erne. Sabine blev bedt om at forbedre akustikken i hovedforedragssalen i Harvards Fogg Art Museum. Han var den første til at måle efterklangstid - hvilket han fandt ud til at være 5 1/2 sekund i foredragssalen. Eksperimenterer først med sædehynder fra et teater i nærheden, og senere med andre lydabsorberende materialer og andre metoder, Sabine lagde fundamentet for arkitektonisk akustik. Han designede Boston Symphony Hall (åbnet 1900), den første bygning med videnskabeligt formuleret akustik.

I anden halvdel af det 20. århundrede, det stigende støjniveau i den moderne verden - især i byområder - foranledigede en helt ny række undersøgelser, behandler i høj grad de fysiologiske og psykologiske virkninger af støj på mennesker.