Ljud. När en trumma slås vibrerar trumskinnet och vibrationerna överförs genom luften i form av ljudvågor . När de träffar örat producerar dessa vågor en känsla av ljud.
Termer som används i studiet av ljudAkustik är vetenskapen om ljud och dess effekter på människor. Kondensation är ett område i en ljudvåg där ljudmediet är tätare än normalt. Decibel (dB) är den enhet som används för att mäta intensiteten av ett ljud. En 3 000-hertz-ton på 0 dB är det mjukaste ljud som ett normalt mänskligt öra kan höra. Ett ljuds frekvens är antalet ljudvågor som passerar en given punkt varje sekund. Hertz är den enhet som används för att mäta ljudvågornas frekvens. En hertz är lika med en cykel (vibration eller ljudvåg) per sekund. Ett ljuds intensitet är ett mått på kraften hos dess vågor. Ljudstyrka hänvisar till 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 hos ett ljud när vi hör det. Sällsynthet är ett område i en ljudvåg där ljudmediets täthet är mindre än normalt. Resonansfrekvens är den frekvens vid vilken en ljudvåg objekt skulle vibrera naturligt om det störs. Ljudmedium är ett ämne i vilket ljudvågor färdas. Luft är till exempel ett ljudmedium. Ljudkvalitet, även kallad klang, 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 intervallet för mänsklig hörsel, det vill säga över 20 000 hertz. Våglängd är avståndet mellan valfri punkt på en våg och motsvarande punkt på nästa våg.Tekniskt sett definieras ljud som en mekanisk störning som färdas 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 till och med bättre än luft.
Innehåll
Det finns många ljudkällor. Bekanta typer inkluderar vibration från en persons stämband, vibrerande strängar (piano, fiol), en vibrerande luftpelare (trumpet, flöjt) och vibrerande fasta ämnen (en dörr när någon knackar på). Det är omöjligt att lista dem alla eftersom allt som stör ett elastiskt medium är en ljudkälla.
Ljud kan beskrivas i termer av tonhöjd - från det låga mullret av avlägsna åska till det högljudda surrandet av en mygga - och ljudstyrka. Tonhöjd och ljudstyrka är dock subjektiva egenskaper; de beror delvis på åhörarens hörsel. Objektiva, mätbara ljudkvaliteter inkluderar frekvens och intensitet, som är relaterade till tonhöjd och ljudstyrka. Dessa termer, liksom andra som används för att diskutera ljud, förstås bäst genom en undersökning av ljudvågor och deras beteende.
Ljudhastighet i olika medier
Luft, som all materia, består av molekyler. Även en liten del av luften innehåller ett stort antal luftmolekyler. Molekylerna är i konstant rörelse, färdas slumpmässigt och med hög hastighet. De kolliderar ständigt med och studsar från varandra och slår och studsar från föremål som är i kontakt med luften.
När ett föremål vibrerar producerar det ljudvågor i luften. Till exempel, när huvudet på en trumma slås med en klubba, vibrerar trumskinnet och producerar ljudvågor. Det vibrerande trumskinnet producerar ljudvågor eftersom det rör sig växelvis utåt och inåt, trycker mot och sedan rör sig bort från luften bredvid den. Luftpartiklarna som träffar trumskinnet medan det rör sig utåt backar från det med mer än sin normala energi och hastighet, efter att ha fått en knuff från trumskinnet.
Dessa snabbare rörliga molekyler rör sig in i den omgivande luften. För ett ögonblick har regionen bredvid trumskinnet en större än normalt koncentration av luftmolekyler - det blir ett område av kompression. När de snabbare rörliga molekylerna tar om luftmolekylerna i den omgivande luften, kolliderar de med dem och överför sin extra energi. Kompressionsområdet rör sig utåt när energin från det vibrerande trumskinnet överförs till grupper av molekyler längre och längre bort.
Luftmolekyler som träffar trumskinnet medan det rör sig inåt backar från det med mindre energi och hastighet än normalt. För ett ögonblick har regionen bredvid trumskinnet färre luftmolekyler än normalt - det blir ett område av sällsynthet. Molekyler som kolliderar med dessa långsammare rörliga molekyler återhämtar sig också med mindre hastighet än normalt, och området för sällsynthet färdas utåt.
Kännetecken för ljudvågorLjudets natur fångas genom dess grundläggande egenskaper:våglängd (avståndet mellan vågtoppar), amplitud (vågens höjd, motsvarande ljudstyrka), frekvens (antalet vågor som passerar en punkt per sekund, relaterat till tonhöjd), tidsperiod (den tid det tar för en hel vågcykel att inträffa) och hastighet (hastigheten med vilken vågen färdas genom ett medium). Dessa egenskaper flätas samman för att skapa den unika signaturen för varje ljud vi hör.
Ljudets vågkaraktär blir uppenbar när en graf ritas för att visa förändringarna i koncentrationen av luftmolekyler någon gång när de omväxlande pulserna av kompression och sällsynthet passerar den punkten. Grafen för en enda ren ton, som den som produceras av en vibrerande stämgaffel, skulle visa en sinusvåg (illustrerad här). Kurvan visar förändringarna i koncentrationen. Det börjar, godtyckligt, någon gång när koncentrationen är normal och en kompressionspuls precis anländer. Avståndet för varje punkt på kurvan från den horisontella axeln anger hur mycket koncentrationen varierar från det normala.
Varje kompression och följande sällsynthet utgör en cykel. (En cykel kan också mätas från vilken punkt som helst på kurvan till nästa motsvarande punkt.) Ett ljuds frekvens mäts i cykler per sekund eller hertz (förkortat Hz). Amplituden är den största mängden med vilken koncentrationen av luftmolekyler varierar från det normala.
Våglängden på ett ljud är den sträcka som störningen färdas under en cykel. Det är relaterat till ljudets hastighet och frekvens med formeln hastighet/frekvens =våglängd. Det betyder att högfrekventa ljud har korta våglängder och lågfrekventa ljud har långa våglängder. Det mänskliga örat kan upptäcka ljud med så låga frekvenser som 20 Hz och så höga som 20 000 Hz. I stillastående luft vid rumstemperatur har ljud med dessa frekvenser våglängder på 75 fot (23 m) respektive 0,68 tum (1,7 cm).
Intensitet avser mängden energi som överförs av störningen. Den är proportionell mot kvadraten på 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. (Utskrivet i decimalform visas 10-16 som 0,0000000000000001.) Varje tiofaldig ökning i 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, varierar intensiteten omvänt med kvadraten på avståndet från källan. Det vill säga på ett avstånd av två fot från källan är intensiteten en fjärdedel så stor som den är på en fots avstånd; vid tre fot är den bara en niondel så stor som vid en fot osv.
Tonhöjden beror på frekvensen; i allmänhet orsakar en ökning av frekvensen en känsla av stigande tonhöjd. Förmågan att skilja mellan två ljud som ligger nära i frekvens minskar dock 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 påverkas även uppfattningen av tonhöjden av intensiteten. Således, när en stämgaffel som vibrerar vid 440 Hz (frekvensen A ovanför mitten C på pianot) förs närmare örat, hörs en något lägre ton, som om gaffeln vibrerade långsammare.
När källan till ett ljud rör sig med en relativt hög hastighet, hör en stationär lyssnare 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, känt som dopplereffekten, beror på ljudets vågkaraktär.
I allmänhet kommer en ökning av intensiteten att orsaka en känsla av ökad ljudstyrka. Men ljudstyrkan ökar inte i direkt proportion till intensiteten. Ett ljud på 50 dB har tio gånger så hög intensitet som ett ljud på 40 dB men är bara dubbelt så högt. Loudness fördubblas med varje ökning med 10 dB i intensitet.
Ljudstyrkan påverkas också av frekvensen eftersom det mänskliga örat är mer känsligt för vissa frekvenser än för andra. Hörseltröskeln - den lägsta ljudintensiteten som ger hörselkänslan för de flesta - är cirka 0 dB i frekvensområdet 2 000 till 5 000 Hz. För frekvenser under och över detta område måste ljud ha högre intensitet för att höras. Således är till exempel ett ljud på 100 Hz knappt hörbart vid 30 dB; ett ljud på 10 000 Hz hörs knappt vid 20 dB. Vid 120 till 140 dB upplever de flesta människor fysiskt obehag eller verklig smärta, och denna intensitetsnivå kallas smärttröskeln.
Tvärgående vågor vs. longitudinella vågorNär vi visualiserar vågor tänker vi ofta på tvärgående vågor - som de rullande vågorna på en strand - där vågens rörelse är vinkelrät mot energiöverföringens riktning. Ljudvågor är dock en helt annan typ - en longitudinell våg. I longitudinella ljudvågor, som ljudvågor som produceras av ett vibrerande trumskinn eller våra stämband, rör sig mediets partiklar parallellt med vågens färdriktning. Denna rörelse skapar områden av kompression och sällsynthet i mediet - vare sig det är luft, vatten eller ett fast ämne - som våra öron tolkar som ljud. Att förstå skillnaden mellan longitudinella och tvärgående vågor är centralt för att förstå ljud.
Ljudhastigheten beror på elasticiteten och densiteten hos mediet som det färdas genom. I allmänhet rör sig ljud snabbare i vätskor än i gaser och snabbare i fasta ämnen än i vätskor. Ju större elasticitet och ju lägre densitet, desto snabbare rör sig ljudet i ett medium. Det matematiska sambandet är hastighet =(elasticitet/densitet).
Effekten av elasticitet och densitet på ljudets hastighet kan ses genom att jämföra ljudhastigheten i luft, väte och järn. Luft och väte har nästan samma elastiska egenskaper, men densiteten för väte är mindre än luftens. Ljud färdas snabbare (cirka 4 gånger så snabbt) i väte än i luft. Även om luftens densitet är mycket mindre än järns, är järnets elasticitet mycket större än luftens. Ljud färdas snabbare (cirka 14 gånger så snabbt) i järn än i luft.
Ljudhastigheten i ett material, särskilt i en gas eller vätska, varierar med temperaturen eftersom en temperaturförändring påverkar materialets densitet. I luft till exempel ökar ljudets hastighet med en ökning av temperaturen. Vid 32 °F. (0 °C.), ljudhastigheten 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 subsonic och supersonic refererar till ett objekts hastighet, till exempel ett flygplan, i förhållande till ljudets hastighet i den omgivande luften. En subsonisk hastighet är lägre än ljudets hastighet; en överljudshastighet är över ljudets hastighet. Ett föremål som färdas med överljudshastighet producerar stötvågor snarare än vanliga ljudvågor. En stötvåg är en kompressionsvåg som, när den produceras i luft, vanligtvis kan höras som en ljudbom.
Hastigheterna för överljudsobjekt uttrycks ofta i termer av Mach-tal — 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 dubbelt så hög ljudhastighet.
Liksom ljusvågor och andra vågor reflekteras, bryts och diffrakteras ljudvågor och uppvisar störningar.
Ljud reflekteras hela tiden från många olika ytor. För det mesta märks inte det reflekterade ljudet, eftersom två identiska ljud som når det mänskliga örat med mindre än 1/15 sekunds mellanrum inte kan särskiljas som separata ljud. När det reflekterade ljudet hörs separat kallas det ett eko.
Ljud reflekteras från en yta i samma vinkel som det träffar ytan. Detta faktum gör det möjligt att fokusera ljud med hjälp av krökta reflekterande ytor på samma sätt som krökta speglar kan användas för att fokusera ljus. Det förklarar också effekterna av så kallade viskande gallerier, rum där ett ord som viskats vid ett tillfälle kan höras tydligt vid någon annan punkt ganska långt borta, även om det inte kan höras någon annanstans i rummet. (The National 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 kupade händer.
Ljudreflektion kan utgöra ett allvarligt problem i konsertsalar och auditorier. I en dåligt utformad sal kan en talares första ord eka (eko upprepade gånger) i flera sekunder, så att lyssnarna kan höra alla ord i en mening eka samtidigt. Musik kan vara förvrängd på samma sätt. Sådana problem kan vanligtvis åtgärdas 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 sal än i en fylld med 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. De är i själva verket fångade.
Ljudreflektionen används av vissa djur, särskilt fladdermöss, för ekolokalisering - lokalisering och i vissa fall identifiera föremål genom hörselsinnet snarare än synsinnet. Fladdermöss avger ljudskurar av frekvenser långt bortom de övre gränserna för mänsklig hörsel. Ljud med korta våglängder reflekteras även från mycket små föremål. En fladdermus kan ofelbart lokalisera och fånga även en mygga i totalt mörker. Ekolod är en artificiell form av ekolokalisering.
När en våg passerar från ett material till ett annat i en vinkel ändrar den vanligtvis hastigheten, vilket får vågfronten att böjas. Ljudbrytningen kan demonstreras i ett fysiklaboratorium genom att använda en linsformad ballong fylld med koldioxid för att fokusera ljudvågorna.
När ljudvågor passerar runt ett hinder eller genom en öppning i ett hinder, fungerar kanten på hindret eller öppningen som en sekundär ljudkälla och 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 kan ljud höras runt hörn trots att ljudvågor vanligtvis färdas i en rak linje.
När vågor interagerar uppstår störningar. För ljudvågor förstås fenomenet kanske bäst genom att tänka i termer av de två vågornas kompressioner och sällsynthet när de anländer någon gång. När vågorna är i fas så att deras kompressioner och sällsynthet sammanfaller, förstärker de varandra (konstruktiv interferens). När de är ur fas, så att kompressionerna av den ena sammanfaller med den andras sällsynthet, tenderar de att försvagas eller till och med upphäva varandra (destruktiv interferens). Interaktionen mellan de två vågorna producerar en resulterande våg.
I auditorier kan destruktiv interferens mellan ljud från scenen och ljud som reflekteras från andra delar av salen skapa döda ställen där både volymen och klarheten i ljudet är dålig. Sådana störningar kan reduceras genom att använda ljudabsorberande material på reflekterande ytor. Å andra sidan kan störningar förbättra ett auditoriums akustiska kvaliteter. Detta görs genom att de reflekterande ytorna arrangeras på ett sådant sätt att ljudnivån faktiskt höjs i det område där publiken sitter.
Interferens mellan två vågor med nästan men inte riktigt lika frekvenser ger en ton med växelvis ökande och minskande intensitet eftersom de två vågorna ständigt faller in och ur fas. Pulseringarna som hörs kallas beats. Pianostämmare använder sig av denna effekt och justerar tonen på en sträng mot den hos en vanlig stämgaffel tills det inte längre kan höras takter.
Ljud är en tryckvågLjudvågor är i grunden tryckvågor, som färdas genom komprimeringen och sällsyntheten av partiklar i ett medium. Ljudvågor består av områden där partiklar klumpas ihop, följt av områden där de sprids isär. Dessa högtrycks- och lågtrycksområden fortplantar sig genom miljöer som luft, vatten eller fasta ämnen, när ljudvågens energi rör sig från partikel till partikel. Det är den snabba variationen i tryck som en trumhinna upptäcker och hjärnan avkodas till de ljud vi hör.
Ljud av en enda ren frekvens produceras endast av stämgafflar och elektroniska enheter som kallas oscillatorer; de flesta ljud är en blandning av toner med olika frekvenser och amplituder. Tonerna som produceras av musikinstrument har en viktig egenskap gemensam:de är periodiska, det vill säga vibrationerna uppträder i ett upprepat mönster. Oscilloskopspåret av en trumpets ljud visar ett sådant mönster. För de flesta icke-musikaliska ljud, till exempel de från en sprängande ballong eller en person som hostar, skulle ett oscilloskopspår visa ett taggigt, oregelbundet mönster, vilket indikerar ett virrvarr av frekvenser och amplituder.
En luftpelare, som den i en trumpet, och en pianosträng har båda en grundfrekvens - den frekvens med vilken de vibrerar lättast när de sätts i rörelse. För en vibrerande luftpelare bestäms denna frekvens huvudsakligen av pelarens längd. (Trompetens ventiler används för att ändra pelarens effektiva längd.) För en vibrerande sträng beror grundfrekvensen på strängens längd, dess spänning och dess massa per längdenhet.
Förutom sin grundfrekvens producerar en sträng eller vibrerande luftpelare även 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 klang. Tillägget av ytterligare övertoner skulle ge ett komplicerat mönster, som t.ex. oscilloskopets spår av trumpetens ljud.
Hur grundfrekvensen för en vibrerande sträng beror på strängens längd, spänning och massa per längdenhet beskrivs av tre lagar:
Att minska längden på en vibrerande sträng med hälften kommer att fördubbla dess frekvens, vilket höjer tonhöjden med en oktav, om spänningen förblir densamma.
Att öka spänningen på en vibrerande sträng höjer frekvensen; om spänningen görs fyra gånger så stor dubbleras frekvensen och tonhöjden höjs med en oktav.
Det betyder att av två strängar av samma material och med samma längd och spänning har den tjockare strängen den lägre grundfrekvensen. Om massan per längdenhet för en sträng är fyra gånger den för den andra, har den tjockare strängen en grundfrekvens som är hälften av den tunnare strängen och producerar en ton en oktav lägre.
En av de första upptäckterna angående ljud gjordes på 500-talet f.Kr. av den grekiske matematikern och filosofen Pythagoras. Han noterade förhållandet mellan längden på en vibrerande sträng och tonen den producerar - vad som nu är känt som strängarnas första lag. Pythagoras kan också ha förstått att känslan av ljud orsakas av vibrationer. Inte långt efter hans tid insåg man att denna känsla beror på vibrationer som rör sig genom luften och träffar trumhinnan.
Omkring 1640 utförde den franska matematikern Marin Mersenne de första experimenten för att bestämma ljudets hastighet i luft. Mersenne är också krediterad för att ha upptäckt strängarnas andra och tredje lag. År 1660 visade den brittiske vetenskapsmannen Robert Boyle att överföring av ljud krävde ett medium - genom att visa att ringningen av en klocka i en burk från vilken luften hade pumpats inte kunde höras.
Ernst Chladni, en tysk fysiker, gjorde omfattande analyser av ljudvibrationer under slutet av 1700-talet och början av 1800-talet. I början av 1800-talet 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.
Ett viktigt bidrag till förståelsen av akustik gjordes av Wallace Clement Sabine, fysiker vid Harvard University, i slutet av 1890-talet. Sabine ombads 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. Genom att först experimentera med sittdynor från en närliggande teater, och senare med andra ljudabsorberande material och andra metoder, lade Sabine grunden för arkitektonisk akustik. Han designade Boston Symphony Hall (invigdes 1900), den första byggnaden med vetenskapligt formulerad akustik.
Under andra hälften av 1900-talet föranledde den ökande bullernivån i den moderna världen – särskilt i stadsområden – en helt ny serie undersökningar som till stor del behandlade de fysiologiska och psykologiska effekterna av buller på människor.
Den här artikeln har uppdaterats i samband med AI-teknik, sedan faktagranskad och redigerad av en HowStuffWorks-redaktör.
