Forstå lydbølger og hvordan de virker

Lyd. Når en tromle slås, vibrerer trommeskinnet, og vibrationerne overføres gennem luften i form af lydbølger . Når de rammer øret, frembringer disse bølger fornemmelsen af ​​lyd.

Udtryk, der bruges i studiet af lydAkustik er videnskaben om lyd og dens virkninger på mennesker. Kondensation 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. En 3.000-hertz tone på 0 dB er den blødeste lyd, som et normalt menneskeligt øre kan høre. Frekvensen af ​​en lyd er antallet af lydbølger, der passerer et givet punkt hvert sekund. Hertz er den enhed, der bruges til at måle lydbølgernes frekvens. En hertz er lig med en cyklus (vibration eller lydbølge) pr. sekund. En lyds intensitet er et mål for styrken af ​​dens bølger. Lydstyrke henviser til, hvor stærk en lyd virker, når vi hører den. Støj er en lyd, der er ubehagelig, irriterende og distraherende. Tonehøjde er graden af ​​højhed eller lavhed af en lyd, som vi hører den. Sjældenhed er et område i en lydbølge, hvor tætheden af ​​lydmediet er mindre end normalt. Resonansfrekvens er den frekvens, hvor objekt ville vibrere naturligt, hvis det forstyrres. Lydmedie er et stof, hvori lydbølger bevæger sig. Luft er for eksempel et lydmedium. Lydkvalitet, også kaldet klang, er et kendetegn ved musikalske lyde. Lydkvaliteten skelner mellem toner af samme frekvens og intensitet, som frembringes af forskellige musikinstrumenter. Ultralyd er lyd med frekvenser over det menneskelige høreområde – det vil sige over 20.000 hertz. Bølgelængde er afstanden mellem ethvert punkt på en bølge og tilsvarende punkt på næste bølge.

Teknisk defineres lyd 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 være blevet deformeret. Mediet behøver ikke at være luft. Metal, træ, sten, glas, vand og mange andre stoffer leder lyd - mange af dem endda bedre end luft.

Indhold

1. Grundlæggende om lyd
2. Lydbølger
3. Lydens hastighed
4. En lydbølges opførsel
5. Lydkvalitet
6. Lydens historie

Grundlæggende om lyd

Der er mange lydkilder. Velkendte typer omfatter vibrationer af 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, der forstyrrer et elastisk medium, er en lydkilde.

Lyd kan beskrives i form af tonehøjde - fra den lave rumlen af ​​fjerne torden til den høje summen af ​​en myg - og lydstyrke. Tonehøjde og lydstyrke er imidlertid subjektive kvaliteter; de afhænger til dels af tilhørerens høresans. Objektive, målbare lydkvaliteter omfatter frekvens og intensitet, som er relateret til tonehøjde og lydstyrke. Disse udtryk, såvel som andre, der bruges til at diskutere lyd, forstås bedst gennem en undersøgelse af lydbølger og deres adfærd.

Lydens hastighed i forskellige medier

Middel Hastighed i fod pr. sekund Hastighed i meter pr. sekund Luft ved 59 grader F. (15 grader C)1,116340Aluminium16,0005,000Brick11,9803,650Destilleret vand ved 77 grader F. (25 grader C)4,9081,496Glas14,9004,5725 grader F. C)5,0231,531Stål17,1005,200Træ (ahorn)13,4804,110

Lydbølger

Luft, som alt stof, består af molekyler. Selv et lille område af luft indeholder et stort antal luftmolekyler. Molekylerne er i konstant bevægelse, bevæger sig tilfældigt og med stor hastighed. De kolliderer konstant med og springer tilbage fra hinanden og rammer og springer tilbage fra genstande, der er i kontakt med luften.

Når et objekt vibrerer, producerer det lydbølger i luften. For eksempel, når hovedet på en tromme rammes med en hammer, vibrerer trommehovedet og producerer lydbølger. Det vibrerende trommehoved producerer lydbølger, fordi det skiftevis bevæger sig udad og indad, skubber mod, og derefter bevæger sig væk fra, luften ved siden af. Luftpartiklerne, der rammer trommeskinnet, mens det bevæger sig udad, springer tilbage fra det med mere end deres normale energi og hastighed, efter at have modtaget et skub fra trommeskinnet.

Disse hurtigere bevægende molekyler bevæger sig ind i den omgivende luft. Et øjeblik har regionen ved siden af ​​trommeskinnet en større end normal koncentration af luftmolekyler - det bliver et område med kompression. Da de hurtigere bevægende molekyler overhaler luftmolekylerne i den omgivende luft, kolliderer de med dem og videregiver deres ekstra energi. Kompressionsområdet bevæger sig udad, efterhånden som energien fra det vibrerende trommehoved overføres til grupper af molekyler længere og længere væk.

Luftmolekyler, der rammer trommeskinnet, mens det bevæger sig indad, springer tilbage fra det med mindre end deres normale energi og hastighed. Et øjeblik har regionen ved siden af ​​trommeskinnet færre luftmolekyler end normalt - det bliver et område med sjældenhed. Molekyler, der kolliderer med disse langsommere bevægelige molekyler, vender også tilbage med mindre hastighed end normalt, og området for sjældenhed bevæger sig udad.

Karakteristika for lydbølger

Lydens natur fanges gennem dens grundlæggende karakteristika:bølgelængde (afstanden mellem bølgetoppe), amplitude (højden af ​​bølgen, svarende til lydstyrken), frekvens (antallet af bølger, der passerer et punkt i sekundet, relateret til tonehøjde), tidsperiode (den tid, det tager for en komplet bølgecyklus at opstå) og hastighed (den hastighed, hvormed bølgen bevæger sig gennem et medium). Disse egenskaber flettes sammen for at skabe den unikke signatur af hver lyd, vi hører.

Lydens bølgenatur bliver tydelig, når der tegnes en graf for at vise ændringerne 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 vibrerende stemmegaffel, ville vise en sinusbølge (illustreret her). Kurven viser ændringerne i koncentrationen. Det begynder, vilkårligt, på et tidspunkt, hvor koncentrationen er normal, og en kompressionspuls lige ankommer. Afstanden mellem hvert punkt på kurven fra den vandrette akse angiver, hvor meget koncentrationen varierer fra normalen.

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 normalen.

Bølgelængden af ​​en lyd er den afstand, forstyrrelsen tilbagelægger 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 har lange bølgelængder. Det menneskelige øre kan registrere lyde med frekvenser så lave som 20 Hz og så høje som 20.000 Hz. I stille luft ved stuetemperatur har lyde med disse frekvenser bølgelængder på henholdsvis 75 fod (23 m) og 0,68 tommer (1,7 cm).

Intensitet refererer til mængden af ​​energi, der overføres af forstyrrelsen. Det er proportionalt med kvadratet af amplituden. Intensiteten 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 vises 10-16 som 0,0000000000000001.) Hver tidobling i watt pr. kvadratcentimeter betyder en stigning på 10 db. En intensitet på 10-15 watt per kvadratcentimeter kan således også udtrykkes som 10 db og en intensitet på 10-4 (eller 0,0001) watt per kvadratcentimeter som 120 db.

Lydens intensitet falder hurtigt med stigende afstand fra kilden. For en lille lydkilde, der udstråler energi ensartet i alle retninger, varierer intensiteten omvendt med kvadratet på afstanden fra kilden. Det vil sige, i en afstand af to fod fra kilden er intensiteten en fjerdedel så stor, som den er i en afstand af en fod; ved tre fod er den kun en niendedel så stor som ved en fod osv.

Pitch

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

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

Når kilden til en lyd bevæger sig med en relativt høj hastighed, hører en stationær lytter en lyd med højere 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 bølgenatur.

Lydstyrke

Generelt vil en stigning i intensiteten 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 høj. Lydstyrken fordobles med hver stigning på 10 dB i intensitet.

Lydstyrken påvirkes også af frekvensen, fordi det menneskelige øre er mere følsomt over for nogle frekvenser end over for andre. Høretærsklen - den laveste lydintensitet, der vil frembringe hørefornemmelsen for de fleste mennesker - er omkring 0 dB i frekvensområdet 2.000 til 5.000 Hz. For frekvenser under og over dette område skal lyde have større intensitet for at blive hørt. Således er for eksempel en lyd på 100 Hz 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 mennesker fysisk ubehag eller faktisk smerte, og dette intensitetsniveau omtales som smertetærsklen.

Tværgående bølger vs. langsgående bølger

Når vi visualiserer bølger, tænker vi ofte på tværgående bølger - som de rullende bølger på en strand - hvor bølgens bevægelse er vinkelret på retningen af ​​energioverførsel. Lydbølger er dog en helt anden type - en langsgående bølge. I langsgående lydbølger, såsom lydbølger produceret af et vibrerende trommehoved eller vores stemmebånd, bevæger mediets partikler sig parallelt med bølgens bevægelsesretning. Denne bevægelse skaber områder med kompression og sjældenhed i mediet - det være sig luft, vand eller et fast stof - som vores ører fortolker som lyd. At forstå forskellen mellem langsgående og tværgående bølger er centralt for at forstå lyd.

Lydens hastighed

Lydens hastighed afhænger af elasticiteten og tætheden af ​​det medium, som den bevæger sig igennem. Generelt bevæger lyd sig hurtigere i væsker end i gasser og hurtigere i faste stoffer end i væsker. Jo større elasticitet og jo lavere tæthed, jo hurtigere bevæger lyden sig i et medium. Den matematiske sammenhæng er hastighed =(elasticitet/densitet).

Effekten af ​​elasticitet og tæthed 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 hurtigere (ca. 4 gange så hurtigt) i brint end i luft. Selvom luftens tæthed er meget mindre end jerns, er jernets elasticitet meget større end luftens. Lyd rejser hurtigere (ca. 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 temperaturændring påvirker materialets densitet. I luft stiger lydens hastighed for eksempel med en stigning i temperaturen. Ved 32 °F. (0 °C.), lydens hastighed i luft er 1.087 fod pr. sekund (331 m/s); ved 68 °F. (20 °C.), er det 1.127 fod i sekundet (343 m/s).

Begreberne subsonisk og supersonisk refererer til hastigheden af ​​et objekt, såsom et fly, i forhold til lydens hastighed i den omgivende luft. En subsonisk hastighed er under lydens hastighed; en supersonisk hastighed er over lydens hastighed. Et objekt, der bevæger sig med supersonisk hastighed, frembringer chokbølger snarere end almindelige lydbølger. En chokbølge er en kompressionsbølge, der, når den produceres i luft, normalt kan høres som et lydbom.

Hastigheden af ​​supersoniske objekter udtrykkes ofte i form af Mach-tal - forholdet mellem objektets hastighed og lydens hastighed i den omgivende luft. En genstand, der bevæger sig ved Mach 1, bevæger sig således med lydens hastighed; ved Mach 2 kører den med dobbelt så høj lydhastighed.

En lydbølges opførsel

Ligesom lysbølger og andre bølger reflekteres, brydes og diffrakteres lydbølger og udviser interferens.

Refleksion

Lyd reflekteres konstant fra mange forskellige overflader. Det meste af tiden 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, kaldes det et ekko.

Lyd reflekteres fra en overflade i samme vinkel, som den rammer overfladen. Dette faktum 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 forklarer også virkningerne af såkaldte hviskegallerier, rum, hvor et ord, der hviskes på et tidspunkt, kan høres tydeligt på et andet tidspunkt ret langt væk, selvom det ikke kan høres andre steder i rummet. (The National Statuary Hall of the United States Capitol er et eksempel.) Refleksion bruges også til at fokusere lyden i en megafon, og når man kalder gennem skålede hænder.

Refleksion af lyd kan udgøre et alvorligt problem i koncertsale og auditorier. I en dårligt designet sal kan en højttalers første ord give genlyd (ekko gentagne gange) i flere sekunder, så lytterne kan høre alle ordene i en sætning ekko på samme tid. Musik kan være forvrænget på samme måde. Sådanne problemer kan normalt afhjælpes ved at dække reflekterende overflader med lydabsorberende materialer såsom draperier eller akustiske fliser. Tøj absorberer også lyd; af denne grund er efterklangen større i en tom sal 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 faktisk fanget.

Refleksionen af ​​lyd bruges af nogle dyr, især flagermus, til ekkolokalisering - lokalisering og i nogle tilfælde identifikation af objekter gennem høresansen snarere end synssansen. Flagermus udsender udbrud af lyd af frekvenser langt ud over de øvre grænser for menneskelig hørelse. Lyde med korte bølgelængder reflekteres selv fra meget små genstande. En flagermus kan fejlfrit 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, ændrer den normalt hastighed, hvilket får bølgefronten til at bøje. Lydens brydning kan demonstreres i et fysiklaboratorium ved at bruge en linseformet ballon fyldt med kuldioxid til at bringe lydbølgerne i fokus.

Diffraktion

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

Interferens

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

I auditorier kan ødelæggende interferens mellem lyd fra scenen og lyd reflekteret fra andre dele af salen skabe døde punkter, hvor både lydstyrken og klarheden er dårlig. Sådan interferens kan reduceres ved brug af lydabsorberende materialer på reflekterende overflader. På den anden side kan interferens 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 ens frekvenser, frembringer en tone med skiftevis stigende og faldende intensitet, fordi de to bølger konstant falder ind og ud af fase. De pulseringer, der høres, kaldes beats. Klaverstemmere gør brug af denne effekt, idet de justerer tonen i en streng i forhold til en standard stemmegaffel, indtil beats ikke længere kan høres.

Lyd er en trykbølge

Lydbølger er i bund og grund trykbølger, der bevæger sig gennem komprimering og udskillelse af partikler i et medium. Lydbølger består af områder, hvor partikler er bundet sammen, efterfulgt af områder, hvor de er spredt fra hinanden. Disse højtryks- og lavtryksområder forplanter sig gennem miljøer som luft, vand eller faste stoffer, når lydbølgens energi bevæger sig fra partikel til partikel. Det er den hurtige variation i tryk, som en trommehinde registrerer, og hjernen afkoder til de lyde, vi hører.

Lydkvalitet

Lyde af en enkelt ren frekvens produceres kun af stemmegafler 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 vil sige, at vibrationerne forekommer i et gentaget mønster. Oscilloskopsporet af en trompets lyd viser et sådant mønster. For de fleste ikke-musikalske lyde, såsom lyde fra en sprængende ballon eller en person, der hoster, vil et oscilloskopspor vise et takket, uregelmæssigt mønster, hvilket indikerer et virvar af frekvenser og amplituder.

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

Ud over sin grundfrekvens producerer en streng eller vibrerende luftsøjle også overtoner med frekvenser, der er hele tal multipla 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 frembringe et kompliceret mønster, såsom oscilloskopsporet af trompetens lyd.

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

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

At reducere længden af ​​en vibrerende streng med det halve vil fordoble dens frekvens, hvilket øger tonehøjden med en oktav, hvis spændingen forbliver den samme.

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

Forøgelse af spændingen af ​​en vibrerende streng hæver frekvensen; hvis spændingen gøres fire gange så stor, fordobles frekvensen, og tonehøjden hæves med en oktav.

3. Grundfrekvensen af ​​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, har den tykkere streng den lavere grundfrekvens. Hvis massen pr. længdeenhed af en streng er fire gange så stor som den anden, har den tykkere streng en grundfrekvens, der er halvdelen af ​​den tyndere strengs og producerer en tone en oktav lavere.

Lydens 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 producerer - det, der nu er kendt som strengenes første lov. Pythagoras kan også have forstået, at fornemmelsen af ​​lyd er forårsaget af vibrationer. Ikke længe efter hans tid blev det erkendt, at denne fornemmelse afhænger af vibrationer, der rejser gennem luften og rammer trommehinden.

Omkring 1640 udførte den franske matematiker Marin Mersenne de første eksperimenter for at bestemme lydens hastighed i luft. Mersenne er også krediteret for at opdage strengenes anden og tredje lov. I 1660 demonstrerede den britiske videnskabsmand Robert Boyle, at transmissionen af ​​lyd krævede et medium - ved at vise, at ringningen af ​​en klokke i en krukke, hvorfra luften var blevet pumpet, ikke kunne høres.

Ernst Chladni, en tysk fysiker, lavede omfattende analyser af lydvibrationer i slutningen af ​​1700-tallet og begyndelsen af ​​1800-tallet. I begyndelsen af ​​1800-tallet 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.

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

I anden halvdel af det 20. århundrede førte det stigende støjniveau i den moderne verden - især i byområder - til en helt ny række undersøgelser, der i vid udstrækning beskæftiger sig med de fysiologiske og psykologiske virkninger af støj på mennesker.

Denne artikel blev opdateret i forbindelse med AI-teknologi, og derefter faktatjekket og redigeret af en HowStuffWorks-redaktør.