Ljud. När en trumma träffas, trumhuvudet vibrerar och vibrationerna överförs genom luften i form av vågor. När de slår i örat, dessa vågor producerar ljudkänslan. Det finns också ljud som inte kan höras, dock:infraljud, under intervallet för mänsklig hörsel, och ultraljud, över människors hörsel.
Termer som används i studiet av ljud Akustik är ljudvetenskapen och dess effekter på människor. Kondens är en region i en ljudvåg där ljudmediet är tätare än normalt. Decibel (dB) är den enhet som används för att mäta intensiteten av ett ljud. A 3, 000-hertz ton på 0 dB är det mjukaste ljud som ett normalt mänskligt öra kan höra. Frekvens av ett ljud är antalet ljudvågor som passerar en given punkt varje sekund. Hertz är den enhet som används för att mäta frekvensen av ljudvågor. En hertz är lika med en cykel (vibration, eller ljudvåg) per sekund. Intensitet hos ett ljud är ett mått på kraften i dess vågor. Ljudstyrka avser hur starkt ett ljud verkar när vi hör det. Buller är ett ljud som är obehagligt, irriterande, och distraherande. Tonhöjd är graden av höghet eller låghet för ett ljud när vi hör det. sällsynta är en region i en ljudvåg där ljudmediets densitet är mindre än normalt. resonansfrekvens är den frekvens vid vilken ett objekt skulle vibrera naturligt om det störs. Ljudmedium är ett ämne där ljudvågor rör sig. Luft, till exempel, är ett ljudmedium. ljudkvalitet, kallas även timbre, är en egenskap hos musikaliska ljud. Ljudkvaliteten skiljer mellan toner av samma frekvens och intensitet som produceras av olika musikinstrument. Ultraljud är ljud med frekvenser över människors hörsel - det vill säga över 20, 000 hertz.Våglängd är avståndet mellan valfri punkt på en våg och motsvarande punkt på nästa våg.Tekniskt, ljud definieras som en mekanisk störning som rör sig genom ett elastiskt medium - ett material som tenderar att återgå till sitt ursprungliga tillstånd efter att ha deformerats. Mediet behöver inte vara luft; metall, trä, sten, glas, vatten, och många andra ämnen leder ljud, många av dem bättre än luft.
Det finns väldigt många ljudkällor. Kända slag inkluderar vibrationer i en persons stämbanden, vibrerande strängar (piano, fiol), en vibrerande luftpelare (trumpet, flöjt), och vibrerande fasta ämnen (en dörr när någon knackar). Det är omöjligt att lista dem alla, eftersom allt som ger en störning till ett elastiskt medium (som, till exempel, en exploderande smällare till den omgivande luften) är en ljudkälla.
Ljud kan beskrivas i termer av tonhöjd-från det låga mullret av avlägsna åskor till myggens höga summor-och ljudstyrka. Pitch och ljudstyrka, dock, är subjektiva egenskaper; de beror delvis på hörarens hörsel. Mål, mätbara ljudkvaliteter inkluderar frekvens och intensitet, som är relaterade till tonhöjd och ljudstyrka. Dessa villkor, liksom andra som används för att diskutera ljud, förstås bäst genom en undersökning av ljudvågor och deras beteende.
Ljudhastighet i olika medier Medel Hastighet i fot per sekund Hastighet i meter per sekund Luft vid 59 grader F. (15 grader C) 1, 116340 Aluminium 16, 0005, 000Brick 11, 9803, 650 Destillerat vatten vid 77 grader F. (25 grader C) 4, 9081, 496 Glas 14, 9004, 540 Hav vid 77 grader F. (25 grader C) 5, 0231, 531 Stål 17, 1005, 200 Trä (lönn) 13, 4804, 110Innehåll
Luft, som alla saker, består av molekyler. Även ett litet luftområde innehåller ett stort antal luftmolekyler. Molekylerna är i konstant rörelse, färdas slumpmässigt och i hög hastighet. De kolliderar ständigt med och rebound från varandra och slår och rebound från föremål som är i kontakt med luften.
Ett vibrerande föremål kommer att producera ljudvågor i luften. Till exempel, när huvudet på en trumma träffas med en klubba, trumspetsen vibrerar och producerar ljudvågor. Det vibrerande trumhuvudet producerar ljudvågor eftersom det rör sig omväxlande utåt och inåt, trycker mot, sedan flytta ifrån, luften bredvid. Luftmolekylerna som träffar trumhuvudet medan det rör sig utåt återhämtar sig från det med mer än sin normala energi och hastighet, efter att ha fått en knuff från trumskallen. Dessa molekyler som rör sig snabbare rör sig in i den omgivande luften. För ett ögonblick, därför, området bredvid trumskallen har en högre koncentration av luftmolekyler än normalt - det blir ett område av kompression. När de snabbare rörliga molekylerna tar över luftmolekylerna i den omgivande luften, de krockar med dem och förmedlar sin extra energi. Komprimeringsområdet rör sig utåt när energin från det vibrerande trumhuvudet överförs till grupper av molekyler längre och längre bort.
Luftmolekyler som träffar trumhuvudet medan det rör sig inåt återhämtar sig från det med mindre än sin normala energi och hastighet. För ett ögonblick, därför, området bredvid trumskallen har färre luftmolekyler än normalt - det blir ett område med sällsynthet. Molekyler som kolliderar med dessa långsammare rörliga molekyler återhämtar sig också med lägre hastighet än normalt, och sällsynta området reser utåt.
Ljudets vågkaraktär blir uppenbar när en graf ritas för att visa förändringarna i koncentrationen av luftmolekyler någon gång när de växlande kompressions- och sällsynta pulserna passerar den punkten. Diagrammet för en ren ton, som den som produceras av en stämgaffel. Kurvan visar förändringar i koncentration. Det börjar, godtyckligt, någon gång när koncentrationen är normal och en kompressionspuls bara anländer. Avståndet för varje punkt på kurvan från den horisontella axeln indikerar hur mycket koncentrationen varierar från normalt.
Varje komprimering och följande rarefaktion utgör en cykel. (En cykel kan också mätas från valfri punkt på kurvan till nästa motsvarande punkt.) Frekvensen för ett ljud mäts i cykler per sekund, eller hertz (förkortat Hz). Amplituden är den största mängden med vilken koncentrationen av luftmolekyler varierar från det normala.
Våglängden för ett ljud är avståndet störningen färdas under en cykel. Det är relaterat till ljudets hastighet och frekvens med formeln hastighet/frekvens =våglängd. Detta innebär att högfrekventa ljud har korta våglängder och lågfrekventa ljud långa våglängder. Det mänskliga örat kan upptäcka ljud med frekvenser så låga som 15 Hz och så höga som 20, 000 Hz. I stillluft vid rumstemperatur, ljud med dessa frekvenser har våglängder på 23 fot respektive 1,7 cm.
Intensitet avser mängden energi som överförs av störningen. Den är proportionell mot amplituden. Intensiteten mäts i watt per kvadratcentimeter eller i decibel (db). Decibelskalan definieras enligt följande:En intensitet på 10-16 watt per kvadratcentimeter är lika med 0 db. (Skrivet i decimalform, 10-16 visas som 0.0000000000000001.) Varje tiofaldig ökning av watt per kvadratcentimeter innebär en ökning med 10 db. Således kan en intensitet på 10-15 watt per kvadratcentimeter också uttryckas som 10 db och en intensitet på 10-4 (eller 0,0001) watt per kvadratcentimeter som 120 db.
Ljudintensiteten sjunker snabbt med ökande avstånd från källan. För en liten ljudkälla som utstrålar energi jämnt i alla riktningar, intensiteten varierar omvänt med kvadratet på avståndet från källan. Det är, på ett avstånd av två fot från källan är intensiteten en fjärdedel lika stor som på ett avstånd av en fot; på tre fot är den bara en nionde lika stor som vid en fot, etc.
Pitch beror på frekvensen; i allmänhet, en ökning av frekvensen orsakar en känsla av stigande tonhöjd. Möjligheten att skilja mellan två ljud som är nära i frekvens, dock, minskar i de övre och nedre delarna av det hörbara frekvensområdet. Det finns också variation från person till person i förmågan att skilja mellan två ljud med nästan samma frekvens. Vissa utbildade musiker kan upptäcka skillnader i frekvens så små som 1 eller 2 Hz.
På grund av hur hörselmekanismen fungerar, uppfattningen av tonhöjd påverkas också av intensiteten. Således när en stämgaffel som vibrerar vid 440 Hz (frekvensen A över mitten C på pianot) bringas närmare örat, en något lägre ton, som om gaffeln vibrerade långsammare, hörs.
När ljudkällan rör sig med relativt hög hastighet, en stationär lyssnare hör ett ljud högre i tonhöjd när källan rör sig mot honom eller henne, och ett ljud lägre i tonhöjd när källan rör sig bort. Detta fenomen, känd som Doppler -effekten, beror på ljudets vågkaraktär.
I allmänhet, en ökning av intensiteten kommer att orsaka en känsla av ökad ljudstyrka. Men ljudstyrkan ökar inte i direkt proportion till intensiteten. Ett ljud på 50 dB har tio gånger intensiteten av ett ljud på 40 dB, men det är bara dubbelt så högt. Loudness fördubblas för varje ökning med 10 dB i intensitet.
Ljudstyrkan påverkas också av frekvens, eftersom det mänskliga örat är mer känsligt för vissa frekvenser än för andra. Tröskelvärdet för hörsel - den lägsta ljudintensitet som kommer att ge hörselkänsla för de flesta - är cirka 0 dB i 2, 000 till 5, 000 Hz frekvensområde. För frekvenser under och över detta intervall, ljud måste ha större intensitet för att höras. Således, till exempel, ett ljud på 100 Hz hörs knappt vid 30 dB; ett ljud på 10, 000 Hz hörs knappt vid 20 dB. Vid 120 till 140 dB upplever de flesta fysiskt obehag eller verklig smärta, och denna intensitetsnivå kallas smärttröskeln.
Ljudets hastighet beror på elasticiteten och densiteten hos mediet som det färdas genom. I allmänhet, ljudet rör sig snabbare i vätskor än i gaser och snabbare i fasta ämnen än i vätskor. Ju större elasticitet och lägre densitet, det snabbare ljudet rör sig i ett medium. Det matematiska sambandet är hastighet =(elasticitet/densitet).
Effekten av elasticitet och densitet på ljudets hastighet kan ses genom att jämföra ljudets hastighet i luft, väte, och järn. Luft och väte har nästan samma elastiska egenskaper, men densiteten för väte är mindre än luftens. Ljud färdas alltså snabbare (ungefär 4 gånger så snabbt) i väte än i luft. Även om luftens densitet är mycket mindre än för järn, järnets elasticitet är mycket mycket större än luftens. Ljud färdas alltså snabbare (cirka 14 gånger så snabbt) i järn än i luft.
Ljudets hastighet i ett material, särskilt i en gas eller vätska, varierar med temperaturen eftersom en temperaturförändring påverkar materialets densitet. I luft, till exempel, ljudets hastighet ökar med en temperaturökning. Vid 32 ° F. (0 ° C.), ljudets hastighet i luft är 1, 087 fot per sekund (331 m/s); vid 68 ° F. (20 ° C.), det är 1, 127 fot per sekund (343 m/s).
Termerna subsonisk och supersonisk hänvisar till ett objekts hastighet, som ett flygplan, i förhållande till ljudets hastighet i den omgivande luften. En subsonisk hastighet ligger under ljudets hastighet; en supersonisk hastighet, över ljudets hastighet. Ett objekt som färdas med överljudshastighet producerar chockvågor snarare än vanliga ljudvågor. En chockvåg är en kompressionsvåg som, när de produceras i luft, kan vanligtvis höras som en sonisk högkonjunktur.
Hastigheterna på överljudsobjekt uttrycks ofta i termer av Mach -antal - förhållandet mellan objektets hastighet och ljudets hastighet i den omgivande luften. Således färdas ett föremål som färdas vid Mach 1 med ljudets hastighet; vid Mach 2 färdas den med dubbla ljudets hastighet.
Som ljusvågor och andra vågor, ljudvågor reflekteras, bryts, och diffrakterade, och uppvisar störningar.
Ljud reflekteras ständigt från många olika ytor. För det mesta märks inte det reflekterade ljudet, eftersom två identiska ljud som når det mänskliga örat mindre än 1/15 sekund från varandra inte kan särskiljas som separata ljud. När det reflekterade ljudet hörs separat, det kallas ett eko.
Ljud reflekteras från en yta i samma vinkel som den träffar ytan. Detta faktum gör det möjligt att fokusera ljud med hjälp av böjda reflekterande ytor på samma sätt som böjda speglar kan användas för att fokusera ljus. Det redogör också för effekterna av så kallade viskande gallerier, rum där ett ord viskade vid ett tillfälle kan höras tydligt någon annanstans ganska långt borta, även om det inte kan höras någon annanstans i rummet. (Statuary Hall of the United States Capitol är ett exempel.) Reflektion används också för att fokusera ljud i en megafon och när man ringer med kupa händer.
Ljudets reflektion kan utgöra ett allvarligt problem i konserthus och aula. I en dåligt utformad hall, en högtalares första ord kan eka (eko upprepade gånger) i flera sekunder, så att lyssnarna kan höra alla ord i en mening som ekar samtidigt. Musik kan förvrängas på samma sätt. Sådana problem kan vanligtvis korrigeras genom att täcka reflekterande ytor med ljudabsorberande material som draperier eller akustiska plattor. Kläder absorberar också ljud; av denna anledning är efterklangen större i en tom hall än i en full av människor. Alla dessa ljudabsorberande material är porösa; ljudvågor som kommer in i de små luftfyllda utrymmena studsar runt i dem tills deras energi är förbrukad. Dom är, i själva verket, instängd.
Ljudets reflektion används av vissa djur, särskilt fladdermöss och tandvalar, för ekolokalisering - lokalisering, och i vissa fall identifiera, objekt genom hörseln snarare än synen. Fladdermöss och tandvalar avger utbrott av ljud av frekvenser långt bortom de övre gränserna för mänsklig hörsel, så högt som 200, 000 Hz för valar. Ljud med korta våglängder reflekteras även från mycket små föremål. En fladdermus kan felfritt hitta och fånga till och med en mygg i totalt mörker. Ekolod är en artificiell form av ekolokalisering.
När en våg passerar från ett material till ett annat i en vinkel, det ändrar vanligtvis hastighet, får vågfronten att böja sig. Ljusets brytning kan demonstreras i ett fysiklaboratorium genom att använda en linsformad ballong fylld med koldioxid för att föra ljudvågor i fokus.
När ljudvågor passerar runt ett hinder eller genom en öppning i ett hinder, kanten av hindret eller öppningen fungerar som en sekundär ljudkälla, sänder ut vågor med samma frekvens och våglängd (men med lägre intensitet) som den ursprungliga källan. Spridningen av ljudvågor från den sekundära källan kallas diffraktion. På grund av detta fenomen, ljud hörs runt hörnen trots att ljudvågor i allmänhet rör sig i en rak linje.
När vågor interagerar, störningar uppstår. För ljudvågor förstår man kanske fenomenet bäst genom att tänka på de två vågornas kompressioner och sällsynta när de kommer någon gång. När vågorna är i fas så att deras kompressioner och sällsynta effekter sammanfaller, de förstärker varandra (konstruktiv störning). När de är ur fas, så att kompressionerna av den ena sammanfaller med den andra sällsynta de tenderar att försvaga eller till och med avbryta varandra (destruktiv störning). Interaktionen mellan de två vågorna ger en resulterande våg.
I aula, destruktiv interferens mellan ljud från scenen och ljud som reflekteras från andra delar av hallen kan skapa döda fläckar där både volym och klarhet i ljudet är dåliga. Sådan störning kan reduceras genom användning av ljudabsorberande material på reflekterande ytor. Å andra sidan, interferens kan förbättra en auditoriums akustiska kvaliteter. Detta görs genom att de reflekterande ytorna ordnas så att ljudnivån faktiskt höjs i det område där publiken sitter.
Interferens mellan två vågor med nästan men inte riktigt lika frekvenser ger en ton av växelvis ökande och minskande intensitet, eftersom de två vågorna ständigt faller in och ut ur fas. De pulser som hörs kallas beats. Pianotuner använder denna effekt, justera tonen i en sträng mot den hos en vanlig stämgaffel tills slag inte längre kan höras.
Ljud av en enda ren frekvens produceras endast genom att stämma gafflar och elektroniska enheter som kallas oscillatorer; de flesta ljud är en blandning av toner av olika frekvenser och amplituder. De toner som produceras av musikinstrument har en viktig egenskap gemensamt:de är periodiska, det är, vibrationerna uppstår i upprepade mönster. Oscilloskopets spår av en trumpets ljud visar ett sådant mönster. För de flesta icke-musikaliska ljud, såsom de av en sprängande ballong eller en person som hostar, ett oscilloskopspår skulle visa en ojämn, oregelbundet mönster, indikerar ett virvar av frekvenser och amplituder.
En luftpelare, som i en trumpet, och en pianosträng har båda en grundläggande frekvens - den frekvens vid vilken de vibrerar lättast när de sätts i rörelse. För en vibrerande luftpelare, att frekvensen bestäms huvudsakligen av kolonnens längd. (Trumpetens ventiler används för att ändra den effektiva längden på kolonnen.) För en vibrerande sträng, grundfrekvensen beror på strängens längd, dess spänning, och dess massa per längdenhet.
Förutom dess grundfrekvens, en sträng eller vibrerande luftpelare producerar också övertoner med frekvenser som är heltalsmultiplar av grundfrekvensen. Det är antalet producerade övertoner och deras relativa styrka som ger en musikalisk ton från en given källa dess distinkta kvalitet, eller timbre. Tillägget av ytterligare övertoner skulle ge ett komplicerat mönster, som till exempel oscilloskopets spår av trumpetens ljud.
Hur grundfrekvensen för en vibrerande sträng beror på strängens längd, spänning, och massa per längdenhet beskrivs av tre lagar:
1. Grundfrekvensen för en vibrerande sträng är omvänt proportionell mot dess längd.
Att minska längden på en vibrerande sträng med en halv kommer att fördubbla dess frekvens, höja tonhöjden med en oktav, om spänningen förblir densamma.
2. Grundfrekvensen för en vibrerande sträng är direkt proportionell mot kvadratroten av spänningen.
Att öka spänningen hos en vibrerande sträng höjer frekvensen; om spänningen görs fyra gånger så stor, frekvensen fördubblas, och tonhöjningen höjs med en oktav.
3. Grundfrekvensen för en vibrerande sträng är omvänt proportionell mot kvadratroten av massan per längdenhet.
Detta betyder att av två strängar av samma material och med samma längd och spänning, den tjockare strängen har den lägre grundfrekvensen. Om massan per längdenhet för en sträng är fyra gånger den andra, den tjockare strängen har en grundfrekvens hälften av den tunnare strängen och ger en ton en oktav lägre.
En av de första upptäckterna om ljud gjordes på 600 -talet f.Kr. av den grekiska matematikern och filosofen Pythagoras. Han noterade förhållandet mellan längden på en vibrerande sträng och tonen den ger - det som nu kallas den första stränglagen. Pythagoras kan också ha förstått att ljudkänslan orsakas av vibrationer. Inte långt efter hans tid insåg man att denna känsla beror på vibrationer som färdas genom luften och träffar trumhinnan.
Omkring 1640 genomförde den franska matematikern Marin Mersenne de första experimenten för att bestämma ljudets hastighet i luft. Mersenne krediteras också för att ha upptäckt strängarnas andra och tredje lag. År 1660 visade den brittiske forskaren Robert Boyle att ljudöverföring krävde ett medium - genom att visa att det inte kunde höras en ringklocka i en burk från vilken luften hade pumpats.
Ernst Chladni, en tysk fysiker, gjorde omfattande analyser av ljudproducerande vibrationer under slutet av 1700-talet och början av 1800-talet. 1801 upptäckte den franske matematikern Fourier att så komplexa vågor som de som produceras av en vibrerande sträng med alla dess övertoner består av en serie enkla periodiska vågor.
Mycket arbete med vågor i allmänhet gjordes under 1800 -talet. Thomas Young, en engelsk fysiker, forskade särskilt på diffraktion och interferens. Christian Johann Doppler från Österrike formulerade det matematiska förhållandet mellan de faktiska och upplevda frekvenserna av vågor när vågornas källa rör sig i förhållande till observatören.
Ett viktigt bidrag till förståelsen av akustik gjordes av Wallace Clement Sabine, fysiker vid Harvard University, i slutet av 1890 -talet. Sabine blev ombedd att förbättra akustiken i huvudföreläsningssalen i Harvards Fogg Art Museum. Han var först med att mäta efterklangstid - som han fann vara 5 1/2 sekund i föreläsningssalen. Experimentera först med sittdynor från en närliggande teater, och senare med andra ljudabsorberande material och andra metoder, Sabine lade grunden för arkitektonisk akustik. Han ritade Boston Symphony Hall (öppnade 1900), den första byggnaden med vetenskapligt formulerad akustik.
Under andra halvan av 1900 -talet, den stigande ljudnivån i den moderna världen - särskilt i stadsområden - föranledde en helt ny serie undersökningar, handlar till stor del om de fysiologiska och psykologiska effekterna av buller på människor.
