Ljudet är runt omkring oss. Vi använder vår ljudkänsla för att navigera i vår miljö, för att kommunicera och njuta av musik. Men vad är ljud? Hur skapas det och hur överförs det från en plats till en annan?
Vad är ljudvågor?

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

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

Svängningar i ett medium tenderar att komma i en av två varianter: tvärgående vågor svänger i vinklar mot resningsriktningen (som med publiken vid publiken stadion, eller en våg på en snöre) och längsgående vågor svänger parallellt med rörelseriktningen.

Ljudvågor är längsgående vågor. När en ljudvåg sprider sig genom ett medium, till exempel luft, gör det det genom att få luftmolekylerna att vibrera, vilket orsakar förändringar i lufttrycket, vilket resulterar i kompressioner (regioner med högt tryck) och sällsynta effekter (regioner med lågt tryck) i luft när vågen rör sig.

Tänk på en leksaksfjäder som en Slinky utsträckt över ett bord med en person som håller endera änden. 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 mer åtskilda (komprimeringar) och mer löst åtskilda (rarefaction). Varje given punkt i Slinky oscillerar 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 .
Hur skapas ljudvågor?

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

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

När du pratar, vibrerar du din struphuvud (ett litet ihåligt rör längst upp i din vindrör), som i sin tur vibrerar luften runt den, som sedan sprider ljudenergin till lyssnaren. Genom att sammandraga och utvidga vävnaden i struphuvudet samt manipulera ledarna i munnen (dina läppar, tungan 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 angränsande medium, till exempel luften.
Ljudets hastighet

Ljudet kör med en hastighet av v (ljud i torr luft) \u003d 331.4 + 0.6T _{c
där T c
är temperaturen i Celsius. På en vanlig 20 grader Celsius (68 grader Fahrenheit) dag reser ljudet cirka 343,4 m /s. Det är cirka 768 miles per timme!}

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 den 3 850 m /s; och i aluminium, överstigande 6,320 m /s!

Som allmän regel reser ljud snabbare i material där molekylerna är närmare varandra. Den reser snabbast i fasta ämnen, näst snabbast i vätskor och långsammast i gaser.
Experiment: Mätning av ljudets hastighet

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

Förutsatt att du har utrustning (och /eller reflexer tillräckligt snabbt) som kan mäta tidsförloppet mellan när ljudet avges och när det återgår till källplats via ett eko från den reflekterande ytan, du har tillräckligt med information för att bestämma hastigheten.

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

Antag som ett exempel 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 \u003d 351 m /s.
Överskrider hastigheten för ljudet <<> Du kanske känner till fenomenet att vissa flygplan bryter ljudbarriären. Vad detta betyder är att flygplanet flyger snabbare än ljudets hastighet. För närvarande överskrider den denna hastighet skapar den en ljuduppsving.

Ett flygplan som reser med Mach 1
reser 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 per timme i en ThrustSSC-jetbil i Black Rock Desert i Nevada.
Frekvens och våglängd

Frekvensen för en våg är antalet svängningar som inträffar vid en given punkt i mediet per sekund. Det mäts i enheter av hertz (Hz) där 1 Hz \u003d 1 /s. Våglängden för en ljudvåg är avståndet mellan två på varandra följande områden med maximal komprimering. Det mäts vanligtvis i enheter av meter (m).

Hastigheten för en ljudvåg, v,
är direkt relaterad till frekvensen f och våglängden lambda via v \u003d λf
.

Ljudets hastighet i ett visst medium beror inte på frekvens eller våglängd, utan är istället en konstant för det specifika mediet. Frekvensen för en ljudvåg matchar alltid ljudkällans frekvens, så det beror inte på mediet eller våghastigheten.

Därför kommer frekvenserna i två olika media att vara densamma, medan hastigheterna kommer att vara specifika för medierna och våglängderna kommer att variera i enlighet därmed. (Hög frekvens motsvarar små våglängder, och vice versa.)

Frekvensområden som vanligtvis kan upptäckas av det mänskliga örat går från 64 Hz till 23 kHz, även om människor tenderar att förlora sin förmåga att höra de högre frekvenserna som de åldras. Däremot kan hundar höra hela vägen upp till cirka 45 kHz (varför de svarar på visselpipor som inte är hörbara för människor), katter kan höra upp till 64 kHz och marsvin kan höra hela upp till 150 kHz!
"In Space, Ingen kan höra dig skrika"

Du har utan tvekan stött på detta citat från 1979-filmen Alien
, och det är sant: ljudet reser inte i en Vakuum. Detta beror på att det behöver ett medium. Det måste finnas något material mellan ljudkällan och dig för att ljudet ska sprida sig.

Så alla dessa rymdslagsscener 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 och ljudenergi

Ljudintensitet, I
, är ljudkraften per enhetsområde. SI-enheten för ljudintensitet är watt /m ^{2 där I _{0
\u003d 10 -12 W /m 2 anses vara tröskeln för mänsklig hörsel. I allmänhet är ljudintensitet vad vi anser vara ”ljudstyrkan” för ett ljud.}}

Ett vanligt sätt att presentera upplevd ljudstyrka är att använda decibel (dB) skala, där ljudintensiteten är i decibel \u003d 10_log (I /I _{0) ._}

Den här skalan är användbar eftersom människor inte uppfattar högtalan linjärt. Det vill säga ett ljud med dubbla intensiteten kan verka mer än dubbelt så högt när det började tyst och mindre än dubbelt så högt om det redan började vara något högt. Decibelskalan ger nummer som är mer överensstämmande med våra uppfattningar.

Ljudet av lätt andningsfrekvens vid cirka 10 dB, medan konversationen i en restaurang är cirka 60 dB. En jetflygning på 1000 ft är cirka 100 dB. En gränsande smärtsam åskväder är 120 dB, och dina öron trummar brister vid 150 dB.

Energin i en ljudvåg är direkt relaterad till intensiteten. Intensitetsenheterna, W /m ^{2, är desamma som J /(sm 2) eller energi i joule per sekund per kvadratmeter.
Musikinstrument}

Minns att ljudets hastighet berodde bara på mediet och inte på vågens frekvens. Det här är bra för att annars lyssna på en konsert skulle vara en fruktansvärd upplevelse, med olika musiknoter som når dig ur funktion.

Olika ljudfrekvenser motsvarar olika tonhöjder eller musiknoter. När en sångare sjunger producerar de olika frekvenser genom att ändra storleken och formen på struphuvudet. Musikinstrument är utformade för att skapa ljud av rena toner vanligtvis genom att skapa stående vågor, vare sig i ett rör eller ett rör, eller längs en sträng.

Tänk på ett stränginstrument som en gitarr. Frekvensen vid vilken en plockad sträng vibrerar beror på dess massatäthet (hur mycket massa per enhetslängd), spänningen i strängen (hur snäv den hålls) och dess längd. Om du tittar på en gitarr ser du att varje sträng har en annan tjocklek. Avstämningsknapparna på handtaget ger dig möjlighet att justera strängspänningen, och banden ger dig platser att placera fingrarna för att ändra stränglängderna när du spelar, så att du kan skapa många olika anteckningar.

Trävind, däremot, består av ihåliga rör där stående vågor kan skapas i luftkolonner (precis som i ditt struphuvud). De olika tonhålen på ett sådant instrument låter dig ändra de typer av stående vågor som kan bildas och därmed ändra anteckningarna som kan spelas.

För ett instrument som en trombon kan du också justera röret längd genom att flytta bilden fram och tillbaka, så att olika frekvensstående vågor, och därmed olika anteckningar kan spelas.

Slaginstrument, som trummor, förlitar sig på vibrationer i ett membran (t.ex. ett trumhuvud) . Mycket som att plocka gitarrsträngarna, när du slår på trumhuvudet på olika platser, bildas stående vågor på membranet och skapar ljud. Ljudets frekvens och kvalitet beror på membranets storlek, dess tjocklek och spänning.