Wetenschap
Geluid. Als er op een trommel wordt geslagen, het trommelvel trilt en de trillingen worden in de vorm van golven door de lucht overgebracht. Als ze het oor raken, deze golven produceren de sensatie van geluid. Er is ook geluid dat niet kan worden gehoord, echter:infrageluid, onder het bereik van het menselijk gehoor, en echografie, boven het bereik van het menselijk gehoor.
Termen die worden gebruikt in de studie van geluidAkoestiek is de wetenschap van geluid en de effecten ervan op mensen.Condensatie is een gebied in een geluidsgolf waarin het geluidsmedium dichter is dan normaal.Decibel (dB) is de eenheid die wordt gebruikt om de intensiteit van een geluid. een 3, Een toon van 000 hertz van 0 dB is het zachtste geluid dat een normaal menselijk oor kan horen. De frequentie van een geluid is het aantal geluidsgolven dat elke seconde een bepaald punt passeert. Hertz is de eenheid die wordt gebruikt om de frequentie van geluidsgolven te meten. Eén hertz is gelijk aan één cyclus (trillingen, of geluidsgolf) per seconde. De intensiteit van een geluid is een maat voor de kracht van de golven. Luidheid verwijst naar hoe sterk een geluid lijkt als we het horen. Ruis is een geluid dat onaangenaam is, vervelend, en afleidend. Toonhoogte is de mate van hoog of laag van een geluid zoals we het horen. Rarefaction is een gebied in een geluidsgolf waarin de dichtheid van het geluidsmedium minder is dan normaal. Resonantiefrequentie is de frequentie waarop een object zou natuurlijk trillen als het gestoord wordt. Geluidsmedium is een stof waarin geluidsgolven zich voortplanten. Lucht, bijvoorbeeld, is een geluidsmedium.Geluidskwaliteit, ook wel timbre genoemd, is een kenmerk van muzikale klanken. Geluidskwaliteit maakt onderscheid tussen noten met dezelfde frequentie en intensiteit die door verschillende muziekinstrumenten worden geproduceerd. Ultrageluid is geluid met frequenties boven het bereik van het menselijk gehoor, dat wil zeggen, boven de 20, 000 hertz. Golflengte is de afstand tussen een willekeurig punt op een golf en het corresponderende punt op de volgende golf.Technisch gezien, geluid wordt gedefinieerd als een mechanische storing die door een elastisch medium reist - een materiaal dat de neiging heeft terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat nadat het is vervormd. Het medium hoeft geen lucht te zijn; metaal, hout, steen, glas, water, en vele andere stoffen geleiden geluid, velen van hen beter dan lucht.
Er zijn enorm veel geluidsbronnen. Bekende soorten zijn onder meer de trilling van de stembanden van een persoon, trillende snaren (piano, viool), een trillende luchtkolom (trompet, fluit), en trillende vaste stoffen (een deur wanneer iemand aanklopt). Het is onmogelijk om ze allemaal op te sommen, omdat alles wat een elastisch medium stoort (zoals, bijvoorbeeld, een exploderend vuurwerk naar de omringende lucht) is een bron van geluid.
Geluid kan worden beschreven in termen van toonhoogte - van het lage gerommel van verre donder tot het hoge gezoem van een mug - en luidheid. Toonhoogte en luidheid, echter, zijn subjectieve eigenschappen; ze zijn gedeeltelijk afhankelijk van het gehoor van de hoorder. Doelstelling, meetbare kwaliteiten van geluid omvatten frequentie en intensiteit, die te maken hebben met toonhoogte en luidheid. deze voorwaarden, evenals anderen die worden gebruikt bij het bespreken van geluid, worden het best begrepen door een onderzoek van geluidsgolven en hun gedrag.
Geluidssnelheid in verschillende mediaGemiddeldSnelheid in voet per secondeSnelheid in meter per secondeLucht bij 59 graden F. (15 graden C) 1, 116340Aluminium 16, 0005, 000Brick 11, 9803, 650 Gedestilleerd water op 25 graden C (77 graden F) 4, 9081, 496Glas 14, 9004, 540 Zeewater bij 77 graden F. (25 graden C) 5, 0231, 531Staal 17, 1005, 200Hout (esdoorn) 13, 4804, 110Inhoud
Lucht, zoals alle materie, bestaat uit moleculen. Zelfs een klein stukje lucht bevat enorme aantallen luchtmoleculen. De moleculen zijn constant in beweging, willekeurig en met grote snelheid reizen. Ze botsen voortdurend met en kaatsen van elkaar terug en slaan en kaatsen terug van objecten die in contact staan met de lucht.
Een trillend object produceert geluidsgolven in de lucht. Bijvoorbeeld, wanneer de kop van een trommel wordt geraakt met een hamer, het trommelvel trilt en produceert geluidsgolven. Het trillende drumvel produceert geluidsgolven omdat het afwisselend naar buiten en naar binnen beweegt, duwen tegen, dan weggaan van, de lucht ernaast. De luchtmoleculen die het drumvel raken terwijl het naar buiten beweegt, kaatsen ervan terug met meer dan hun normale energie en snelheid, een duw van het drumvel gekregen hebben. Deze sneller bewegende moleculen gaan de omringende lucht in. Voor een moment, daarom, het gebied naast het trommelvel heeft een grotere dan normale concentratie van luchtmoleculen - het wordt een gebied van compressie. Naarmate de sneller bewegende moleculen de luchtmoleculen in de omringende lucht inhalen, ze botsen ermee en geven hun extra energie door. Het compressiegebied beweegt naar buiten als de energie van het trillende trommelvel wordt overgebracht naar groepen moleculen die steeds verder weg zijn.
Luchtmoleculen die het drumvel raken terwijl het naar binnen beweegt, kaatsen terug met minder dan hun normale energie en snelheid. Voor een moment, daarom, het gebied naast het drumvel heeft minder luchtmoleculen dan normaal - het wordt een gebied van verdunning. Moleculen die botsen met deze langzamer bewegende moleculen kaatsen ook terug met minder snelheid dan normaal, en het gebied van verdunning reist naar buiten.
Het golfkarakter van geluid wordt duidelijk wanneer een grafiek wordt getekend om de veranderingen in de concentratie van luchtmoleculen op een bepaald punt weer te geven wanneer de afwisselende pulsen van compressie en verdunning dat punt passeren. De grafiek voor een enkele zuivere toon, zoals die geproduceerd door een stemvork. De curve geeft de veranderingen in concentratie weer. Het begint, willekeurig, op een moment dat de concentratie normaal is en er net een compressiepuls aankomt. De afstand van elk punt op de curve tot de horizontale as geeft aan hoeveel de concentratie afwijkt van normaal.
Elke compressie en de volgende verdunning vormt één cyclus. (Een cyclus kan ook worden gemeten vanaf elk punt op de curve naar het volgende corresponderende punt.) De frequentie van een geluid wordt gemeten in cycli per seconde, of hertz (afgekort Hz). De amplitude is de grootste hoeveelheid waarmee de concentratie van luchtmoleculen afwijkt van de normaal.
De golflengte van een geluid is de afstand die de storing tijdens één cyclus aflegt. Het is gerelateerd aan de snelheid en frequentie van het geluid door de formule snelheid/frequentie =golflengte. Dit betekent dat hoogfrequente geluiden korte golflengten hebben en laagfrequente geluiden lange golflengten. Het menselijk oor kan geluiden detecteren met frequenties zo laag als 15 Hz en zo hoog als 20, 000 Hz. In stilstaande lucht bij kamertemperatuur, geluiden met deze frequenties hebben respectievelijk een golflengte van 75 voet (23 m) en 0,68 inch (1,7 cm).
Intensiteit verwijst naar de hoeveelheid energie die door de storing wordt overgedragen. Het is evenredig met het kwadraat van de amplitude. Intensiteit wordt gemeten in watt per vierkante centimeter of in decibel (db). De decibelschaal is als volgt gedefinieerd:Een intensiteit van 10-16 watt per vierkante centimeter is gelijk aan 0 db. (Uitgeschreven in decimale vorm, 10-16 wordt weergegeven als 0.0000000000000001.) Elke tienvoudige toename in watt per vierkante centimeter betekent een toename van 10 db. Zo kan een intensiteit van 10-15 watt per vierkante centimeter ook worden uitgedrukt als 10 db en een intensiteit van 10-4 (of 0,0001) watt per vierkante centimeter als 120 db.
De intensiteit van het geluid neemt snel af met toenemende afstand tot de bron. Voor een kleine geluidsbron die energie gelijkmatig in alle richtingen uitstraalt, intensiteit varieert omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tot de bron. Dat is, op een afstand van twee voet van de bron is de intensiteit een kwart zo groot als op een afstand van één voet; op drie voet is het slechts een negende zo groot als op één voet, enzovoort.
De toonhoogte is afhankelijk van de frequentie; in het algemeen, een verhoging van de frequentie veroorzaakt een gevoel van stijgende toonhoogte. Het vermogen om onderscheid te maken tussen twee geluiden die qua frequentie dicht bij elkaar liggen, echter, afname in de bovenste en onderste delen van het hoorbare frequentiebereik. Er is ook variatie van persoon tot persoon in het vermogen om onderscheid te maken tussen twee geluiden van bijna dezelfde frequentie. Sommige getrainde muzikanten kunnen frequentieverschillen zo klein als 1 of 2 Hz detecteren.
Door de manier waarop het hoormechanisme functioneert, de perceptie van toonhoogte wordt ook beïnvloed door intensiteit. Dus wanneer een stemvork die trilt op 440 Hz (de frequentie van A boven de middelste C op de piano) dichter bij het oor wordt gebracht, een iets lagere toon, alsof de vork langzamer trilde, is gehoord.
Wanneer de geluidsbron met relatief hoge snelheid beweegt, een stilstaande luisteraar hoort een geluid met een hogere toonhoogte wanneer de bron naar hem of haar toe beweegt, en een geluid met een lagere toonhoogte wanneer de bron zich verwijdert. Dit fenomeen, bekend als het Doppler-effect, komt door het golfkarakter van geluid.
In het algemeen, een toename in intensiteit zal een gevoel van toegenomen luidheid veroorzaken. Maar de luidheid neemt niet recht evenredig toe met de intensiteit. Een geluid van 50 dB heeft tien keer de intensiteit van een geluid van 40 dB, maar is slechts twee keer zo luid. De luidheid verdubbelt bij elke toename van 10 dB in intensiteit.
Luidheid wordt ook beïnvloed door frequentie, omdat het menselijk oor gevoeliger is voor sommige frequenties dan voor andere. De gehoordrempel - de laagste geluidsintensiteit die voor de meeste mensen het gehoorsensatie zal produceren - is ongeveer 0 dB in de 2, 000 tot 5, 000 Hz frequentiebereik. Voor frequenties onder en boven dit bereik, geluiden moeten een grotere intensiteit hebben om gehoord te worden. Dus, bijvoorbeeld, een geluid van 100 Hz is bij 30 dB nauwelijks hoorbaar; een geluid van 10, 000 Hz is nauwelijks hoorbaar bij 20 dB. Bij 120 tot 140 dB ervaren de meeste mensen lichamelijk ongemak of daadwerkelijke pijn, en dit niveau van intensiteit wordt de pijndrempel genoemd.
De snelheid van het geluid hangt af van de elasticiteit en dichtheid van het medium waardoor het zich voortbeweegt. In het algemeen, geluid verplaatst zich sneller in vloeistoffen dan in gassen en sneller in vaste stoffen dan in vloeistoffen. Hoe groter de elasticiteit en hoe lager de dichtheid, het snellere geluid reist in een medium. De wiskundige relatie is snelheid =(elasticiteit/dichtheid).
Het effect van elasticiteit en dichtheid op de geluidssnelheid kan worden gezien door de geluidssnelheid in lucht te vergelijken, waterstof, en ijzer. Lucht en waterstof hebben bijna dezelfde elastische eigenschappen, maar de dichtheid van waterstof is kleiner dan die van lucht. Geluid reist dus sneller (ongeveer 4 keer zo snel) in waterstof dan in lucht. Hoewel de dichtheid van lucht veel kleiner is dan die van ijzer, de elasticiteit van ijzer is veel groter dan die van lucht. Geluid verplaatst zich dus sneller (ongeveer 14 keer zo snel) in ijzer dan in lucht.
De snelheid van het geluid in een materiaal, vooral in een gas of vloeistof, varieert met de temperatuur omdat een verandering in temperatuur de dichtheid van het materiaal beïnvloedt. In de lucht, bijvoorbeeld, de snelheid van het geluid neemt toe met een toename van de temperatuur. Bij 32 ° F. (0 °C.), de geluidssnelheid in lucht is 1, 087 voet per seconde (331 m/s); bij 68 ° F. (20 °C.), het is 1, 127 voet per seconde (343 m/s).
De termen subsonisch en supersonisch verwijzen naar de snelheid van een object, zoals een vliegtuig, ten opzichte van de geluidssnelheid in de omringende lucht. Een subsonische snelheid is lager dan de geluidssnelheid; een supersonische snelheid, boven de geluidssnelheid. Een object dat met supersonische snelheid reist, produceert schokgolven in plaats van gewone geluidsgolven. Een schokgolf is een compressiegolf die, wanneer geproduceerd in lucht, kan meestal worden gehoord als een sonische dreun.
De snelheden van supersonische objecten worden vaak uitgedrukt in Mach-getal - de verhouding tussen de snelheid van het object en de geluidssnelheid in de omringende lucht. Dus een object dat met Mach 1 reist, reist met de snelheid van het geluid; bij Mach 2 reist het met twee keer de snelheid van het geluid.
Zoals lichtgolven en andere golven, geluidsgolven worden gereflecteerd, gebroken, en afgebogen, en interferentie vertonen.
Geluid wordt voortdurend gereflecteerd door veel verschillende oppervlakken. Meestal wordt het gereflecteerde geluid niet opgemerkt, omdat twee identieke geluiden die het menselijk oor op minder dan 1/15 seconde van elkaar bereiken, niet als afzonderlijke geluiden kunnen worden onderscheiden. Wanneer het gereflecteerde geluid afzonderlijk wordt gehoord, het wordt een echo genoemd.
Geluid wordt gereflecteerd vanaf een oppervlak onder dezelfde hoek waarin het het oppervlak raakt. Dit feit maakt het mogelijk om geluid te focussen door middel van gebogen reflecterende oppervlakken op dezelfde manier als gebogen spiegels kunnen worden gebruikt om licht te focussen. Het verklaart ook de effecten van zogenaamde fluistergalerijen, kamers waarin een woord dat op een bepaald punt wordt gefluisterd, op een ander punt vrij ver weg duidelijk te horen is, hoewel het nergens anders in de kamer te horen is. (Beeldzaal van het Capitool van de Verenigde Staten is een voorbeeld.) Reflectie wordt ook gebruikt om geluid in een megafoon te focussen en bij het bellen met holle handen.
De weerkaatsing van geluid kan een serieus probleem vormen in concertzalen en auditoria. In een slecht ontworpen zaal, het eerste woord van een spreker kan enkele seconden nagalmen (herhaaldelijk echoën), zodat de luisteraars alle woorden van een zin tegelijkertijd kunnen horen echoën. Muziek kan op dezelfde manier worden vervormd. Dergelijke problemen kunnen meestal worden verholpen door reflecterende oppervlakken te bedekken met geluidsabsorberende materialen zoals gordijnen of akoestische tegels. Kleding absorbeert ook geluid; daarom is de galm in een lege zaal groter dan in een zaal vol mensen. Al deze geluidsabsorberende materialen zijn poreus; geluidsgolven die de kleine met lucht gevulde ruimtes binnenkomen, stuiteren erin rond totdat hun energie is verbruikt. Zij zijn, in werkelijkheid, gevangen.
De weerkaatsing van geluid wordt door sommige dieren gebruikt, met name vleermuizen en tandwalvissen, voor echolocatie—lokaliseren, en in sommige gevallen identificeren, objecten door het gehoor in plaats van door het gezichtsvermogen. Vleermuizen en tandwalvissen zenden uitbarstingen van geluid uit met frequenties die ver buiten de bovengrenzen van het menselijk gehoor liggen, zo hoog als 200, 000 Hz in het geval van walvissen. Geluiden met korte golflengten worden zelfs door zeer kleine objecten gereflecteerd. Een vleermuis kan zelfs in totale duisternis feilloos een mug lokaliseren en vangen. Sonar is een kunstmatige vorm van echolocatie.
Wanneer een golf onder een hoek van het ene materiaal naar het andere gaat, het verandert meestal van snelheid, waardoor het golffront buigt. De breking van geluid kan in een natuurkundig laboratorium worden aangetoond door een lensvormige ballon gevuld met koolstofdioxide te gebruiken om geluidsgolven scherp te stellen.
Wanneer geluidsgolven rond een obstakel of door een opening in een obstakel gaan, de rand van het obstakel of de opening fungeert als secundaire geluidsbron, het uitzenden van golven met dezelfde frequentie en golflengte (maar met een lagere intensiteit) als de oorspronkelijke bron. Het uitspreiden van geluidsgolven van de secundaire bron wordt diffractie genoemd. Door dit fenomeen, geluid kan om hoeken worden gehoord, ondanks het feit dat geluidsgolven zich over het algemeen in een rechte lijn voortplanten.
Telkens wanneer golven op elkaar inwerken, interferentie optreedt. Voor geluidsgolven kan het fenomeen misschien het best worden begrepen door te denken in termen van de compressie en verdunning van de twee golven wanneer ze op een bepaald punt aankomen. Wanneer de golven in fase zijn, zodat hun compressies en verdunningen samenvallen, ze versterken elkaar (constructieve interferentie). Als ze uit fase zijn, zodat de compressies van de ene samenvallen met de verdunningen van de andere, ze hebben de neiging elkaar te verzwakken of zelfs op te heffen (destructieve interferentie). De interactie tussen de twee golven produceert een resulterende golf.
In auditoria, destructieve interferentie tussen geluid van het podium en geluid dat door andere delen van de zaal wordt gereflecteerd, kan dode hoeken creëren waarin zowel het volume als de helderheid van het geluid slecht zijn. Dergelijke interferentie kan worden verminderd door het gebruik van geluidsabsorberende materialen op reflecterende oppervlakken. Anderzijds, interferentie kan de akoestische eigenschappen van een auditorium verbeteren. Dit gebeurt door de reflecterende vlakken zo in te richten dat het geluidsniveau in de ruimte waar het publiek zit ook daadwerkelijk wordt verhoogd.
Interferentie tussen twee golven van bijna maar niet helemaal gelijke frequenties produceert een toon van afwisselend toenemende en afnemende intensiteit, omdat de twee golven voortdurend in en uit fase vallen. De pulsaties die worden gehoord, worden beats genoemd. Pianostemmers maken gebruik van dit effect, de toon van een snaar aanpassen aan die van een standaard stemvork totdat er geen beats meer hoorbaar zijn.
Geluiden van een enkele zuivere frequentie worden alleen geproduceerd door stemvorken en elektronische apparaten die oscillatoren worden genoemd; de meeste geluiden zijn een mengsel van tonen met verschillende frequenties en amplitudes. De tonen die door muziekinstrumenten worden geproduceerd, hebben één belangrijk kenmerk gemeen:ze zijn periodiek, dat is, de trillingen treden op in herhalende patronen. Het oscilloscoopspoor van het geluid van een trompet laat zo'n patroon zien. Voor de meeste niet-muzikale geluiden, zoals die van een exploderende ballon of een persoon die hoest, een oscilloscoopspoor zou een gekarteld, onregelmatig patroon, wat wijst op een wirwar van frequenties en amplitudes.
Een luchtkolom, zoals dat in een trompet, en een pianosnaar hebben beide een grondfrequentie - de frequentie waarop ze het gemakkelijkst trillen wanneer ze in beweging worden gezet. Voor een trillende luchtkolom, die frequentie wordt voornamelijk bepaald door de lengte van de kolom. (De kleppen van de trompet worden gebruikt om de effectieve lengte van de kolom te veranderen.) Voor een trillende snaar, de grondfrequentie hangt af van de lengte van de snaar, zijn spanning, en de massa per lengte-eenheid.
Naast de grondfrequentie, een snaar of trillende luchtkolom produceert ook boventonen met frequenties die gehele veelvouden zijn van de grondfrequentie. Het is het aantal geproduceerde boventonen en hun relatieve sterkte die een muzikale toon uit een bepaalde bron zijn onderscheidende kwaliteit geven, of klankkleur. De toevoeging van verdere boventonen zou een ingewikkeld patroon opleveren, zoals dat van het oscilloscoopspoor van het trompetgeluid.
Hoe de grondfrequentie van een trillende snaar afhangt van de lengte van de snaar, spanning, en massa per lengte-eenheid wordt beschreven door drie wetten:
1. De grondfrequentie van een trillende snaar is omgekeerd evenredig met zijn lengte.
Door de lengte van een trillende snaar met de helft te verminderen, verdubbelt de frequentie, de toonhoogte met één octaaf verhogen, als de spanning hetzelfde blijft.
2. De grondfrequentie van een trillende snaar is recht evenredig met de vierkantswortel van de spanning.
Het verhogen van de spanning van een trillende snaar verhoogt de frequentie; als de spanning vier keer zo groot wordt gemaakt, de frequentie wordt verdubbeld, en de toonhoogte wordt met één octaaf verhoogd.
3. De grondfrequentie van een trillende snaar is omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de massa per lengte-eenheid.
Dit betekent dat van twee snaren van hetzelfde materiaal en met dezelfde lengte en spanning, de dikkere snaar heeft de lagere grondfrequentie. Als de massa per lengte-eenheid van een snaar vier keer die van de andere is, de dikkere snaar heeft een grondfrequentie die de helft is van die van de dunnere snaar en produceert een toon die een octaaf lager is.
Een van de eerste ontdekkingen met betrekking tot geluid werd gedaan in de zesde eeuw voor Christus. door de Griekse wiskundige en filosoof Pythagoras. Hij merkte het verband op tussen de lengte van een trillende snaar en de toon die hij voortbrengt - wat nu bekend staat als de eerste wet van snaren. Pythagoras heeft misschien ook begrepen dat de gewaarwording van geluid wordt veroorzaakt door trillingen. Niet lang na zijn tijd werd erkend dat dit gevoel afhangt van trillingen die door de lucht reizen en het trommelvlies raken.
Omstreeks 1640 voerde de Franse wiskundige Marin Mersenne de eerste experimenten uit om de geluidssnelheid in lucht te bepalen. Mersenne wordt ook gecrediteerd met het ontdekken van de tweede en derde snaarwet. In 1660 toonde de Britse wetenschapper Robert Boyle aan dat voor het overbrengen van geluid een medium nodig was - door aan te tonen dat het rinkelen van een bel in een pot waaruit de lucht was gepompt niet te horen was.
Ernst Chladni, een Duitse natuurkundige, maakte uitgebreide analyses van geluidsproducerende trillingen tijdens de late 1700's en vroege 1800's. In 1801 ontdekte de Franse wiskundige Fourier dat complexe golven zoals die van een trillende snaar met al zijn boventonen bestaan uit een reeks eenvoudige periodieke golven.
In de 19e eeuw werd er in het algemeen veel werk verricht aan golven. Thomas Jong, een Engelse natuurkundige, deed vooral onderzoek naar diffractie en interferentie. Christian Johann Doppler uit Oostenrijk formuleerde de wiskundige relatie tussen de werkelijke en waargenomen frequenties van golven wanneer de bron van de golven beweegt ten opzichte van de waarnemer.
Een belangrijke bijdrage aan het begrip van akoestiek werd geleverd door Wallace Clement Sabine, een natuurkundige aan de Harvard University, eind jaren 1890. Sabine werd gevraagd om de akoestiek van de grote collegezaal in het Fogg Art Museum van Harvard te verbeteren. Hij was de eerste die de nagalmtijd meet, die in de collegezaal 5 1/2 seconde bleek te zijn. Eerst experimenteren met zitkussens uit een nabijgelegen theater, en later met andere geluidsabsorberende materialen en andere methoden, Sabine legde de basis voor architecturale akoestiek. Hij ontwierp Boston Symphony Hall (geopend 1900), het eerste gebouw met wetenschappelijk geformuleerde akoestiek.
In de tweede helft van de 20e eeuw, het stijgende geluidsniveau in de moderne wereld - vooral in stedelijke gebieden - leidde tot een hele nieuwe reeks onderzoeken, grotendeels te maken met de fysiologische en psychologische effecten van geluid op mensen.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com