MEKANISKA VÅGOR

Det är få platser på jorden där det är helt tyst. I städerna är det buller från bilar och bussar dygnet runt, och ute i naturen hör vi vinden som susar i träden eller vågor som bryter mot stranden. Till och med under vattnet hör ljud tydligt – inte bara från båtmotorer, utan även från fiskar och andra djur som lever i vattnet. Men ljud är inte bara något vi har i bakgrunden – ljud är också viktigt för vår kommunikation. Både vi människor och andra djur använder ljud för att visa var vi är och vad vi vill. Vi har också gjort ljud till en slags konstform och kallar detta för musik. Vad som kan betecknas som musik är dock livligt debatterat, men vår vardag fylls allt mer av dessa mer eller mindre genomtänkta ljudupplevelser.

Ljud

Ljud börjar med en vibration, till exempel när man rör stråken över strängarna på en cello. Denna vibration påverkar molekylerna i luften, som knuffar till varandra. Den ljudvåg som sprids på detta sätt kan beskrivas som en kedjereaktion av molekyler som förflyttar sig. Om du håller handen framför en högtalare kan du faktiskt känna hur luften flyttar sig.

Ljud är alltså beroende av molekyler som kan flytta sig. Ute i rymden är det därför helt tyst – i vakuum finns det inga ljud eftersom det inte finns några molekyler där. 

Detta innebär också att ju fler molekyler det finns i en given volym desto bättre sprids ljudet eftersom de då har lättare att stöta till varandra. 

Ljudets hastighet

Som du ser i tabellen nedan, är det stor skillnad på ljudets hastighet i olika gaser. I luft är ljudets hastighet cirka 346 meter per sekund. I helium är hastigheten nästan 3 gånger så stor. Detta är anledningen till att rösten låter helt annorlunda när vi pratar efter att ha andats in helium. Kolla här!

I vatten och andra fasta eller flytande ämnen, ligger molekylerna närmare varandra, så där är ljudhastigheten mycket större. Ljudets hastighet i vatten är mer än 4 gånger så stor som i luft. I hårda metaller är ljudets hastighet cirka 5000 m/s.

Hastigheten beror också på temperaturen – ju varmare det är desto högre blir hastigheten. I luft vid -10°C är den cirka 325 m/s och vid 30°C nästan 350 m/s.
 

När ett flygplan kommer upp i samma hastighet som ljudet staplas ljudvågorna på varandra och trycket blir så stort att vattenångan luften övergår till vattendroppar. Vi ser detta som ett kortvarigt moln. Tryckvågen ger också en smäll. Man säger att flygplanet gått igenom ljudvallen.

Ett vanligt trafikflygplan har en hastighet på cirka 1000 km per timme, så de kommer inte upp i tillräcklig hastighet för att gå igenom ljudvallen, det är bara stridsflygplan som gör det. Vilken hastighet i km/h måste ett stridsflygplan komma upp i för att gå genom ljudvallen?

Ljudets riktning

När de tryckförändringar i luften som ljudvågen orsakar träffar trummhinnan vibrerar denna och rörelserna tolkas som ljud av hjärnan. Eftersom vi har två öron kan vi även bestämma riktningen till ljudkällan. Den lilla tidskillnad som uppstår när ljudvågorn kommer snett från sidan ger oss riktningen.

Under vattenytan fungerar inte detta. Eftersom ljudhastigheten i vatten är mer än 4 gånger så hög som i luft, blir tidsskillnaden för låg för att hjärnan skall hinna med. Vi hör ljud mycket bra under vattenytan och ljudets färdas långt, men vi kan alltså int avgöra riktningen till ljudkällan.

Ljudets frekvens

Eftersom ljud är en vågrörelse av tryckförändringar, kan dessa vågor se olika ut. Begreppet frekvens används även i andra sammanhang, till exempel växelström och ljus, och innebör antalet svängningar per sekund och mäts i Hertz (Hz). Vi människor hör normalt ljud i frekvensområdet 20-20 000 Hz, men med åldern minskas den övre gränsen. Störst känslighet har vårt öra mellan 3 000 och 4 000 Hz och frekvenser under 300 Hz har ingen betydelse för vanligt tal.

Frekvens och svängningstid

Det finns ett enkel samband mellan svängningstid och frekvens. Frekvensen är antalet svängningar per sekund och svängningstiden är den tid det tar för till exempel en gitarrsträng att göra en hel svängning. Detta innebär att:

Exemepel 1

En gitarrsträng vibrerar med en svängningstid på 0,005 sekunder. Vilken frekvens har de ton som uppkommer?


f = 1/0,005 = 200 Hz

Frekvensen i tonen är alltså 200 Hz

Exempel 2

Vilken blir svängningstiden om dina stämband vibrerar med 440 Hz?

440 = 1/T

T = 1/440 = 0,002 sekunder

Svängningstiden är alltså 0,002 sekunder.

Dopplereffekten

Du har säkert lagt märke till att det är skillnad på ljudet hos en polisbil eller ambulans om den kommer mot dig med sirenerna på eller om den kör ifrån dig. Tryckvågorna kring en ljudkälla som rör sig ser annorlunda ut framför och bakom den. Framför den rörliga ljudkälla ligger tryckvågorna tätare och bakom glesare. Detta gör att ljudet blir olika – det får olika frekvens. Detta kallas för dopplereffekt och beskriver hur ljudet förändras om ljudkällan rör sig.

Ljudets styrka

Ljudets styrka mäts i decibel (dB). detta är en logaritmist skala, precis som pH-skalan. Om ljudnivån ökar med 10 dB upplever vi ljudet som dubbelt så starkt. 

Det finns ett antal gratisappar för smartphones för att mäta ljudstryrkan. Ladda ner där du brukar hitta dina appar.

Som du ser i biden nedan, är 10 dB knappt hörbart medan 120 dB blir smärtsamt. Om vi utsätter oss för starkt ljud finns risk för bestående hörselskador. Ljud upp till cirka 85 dB anses som riskfritt, med över detta skall du vara försiktig!

Var därför rädd om din hörsel och utsätt dig inte för starka ljud. Detta gäller inte minst musik i hörlurar!

Övningsuppgift

En blixt på himmlen är inte bara ett ljusfenomen, utan denna elektriska urladdning ger även ett starkt ljud. Vi kan avgöra avståndet till blixten genom att mäta hur långt efter blixten vi hör ljudet. 

Vid fotograferingen av blixten här till höger kom ljudet 8 sekunder efter blixten. Hur långt bort var den?