Geluid is overal om ons heen. We gebruiken ons gevoel voor geluid om door onze omgeving te navigeren, te communiceren en van muziek te genieten. Maar wat is geluid? Hoe wordt het gemaakt en hoe verzendt het van de ene locatie naar de andere?
Wat zijn geluidsgolven?

Geluid is een soort mechanische golf of een oscillatie van materie. Een golf is een verstoring die zich in een medium van de ene naar de andere locatie verplaatst. De sleutel hier is dat de punten in het medium op hun plaats oscilleren terwijl de storing zelf reist.

Denk bijvoorbeeld aan een golf die door een menigte wordt uitgevoerd bij een balspel. De fans in hun stoelen dienen als het golfmedium. Individueel gaan ze staan, heffen hun armen en gaan dan weer zitten - ze schommelen op hun plaats. De verstoring reist echter helemaal door het stadion.

Oscillaties in een medium hebben de neiging om in een van de twee varianten te komen: dwarse golven oscilleren haaks op de rijrichting (zoals bij het publiek aan de stadion, of een golf op een string) en longitudinale golven oscilleren parallel aan de rijrichting.

Geluidsgolven zijn longitudinale golven. Wanneer een geluidsgolf zich door een medium, zoals lucht, voortplant, doet dit dit door de luchtmoleculen te laten trillen, wat veranderingen in de luchtdruk veroorzaakt, wat resulteert in compressies (gebieden met hoge druk) en rarefacties (gebieden met lage druk) in de lucht terwijl de golf beweegt.

Denk aan een speelgoedveer als een Slinky uitgestrekt over een tafel met één persoon die beide uiteinden vasthoudt. Als een persoon de Slinky naar zich toe pakt, stuurt deze een longitudinale golf door de Slinky. U zult regio's van de Slinky-spoelen zien die dichter bij elkaar staan (compressies) en meer losjes (zeldzaam). Elk gegeven punt in de Slinky oscilleert heen en weer op zijn plaats terwijl de verstoring van het ene uiteinde naar het andere gaat.

Nogmaals, dit is precies wat er gebeurt met geluidsgolven in de lucht, of een ander medium, trouwens .
Hoe worden geluidsgolven gecreëerd?

Net als bij elke andere golf, worden geluidsgolven gecreëerd door een initiële storing of trilling. Een geslagen stemvork trilt bijvoorbeeld op een specifieke frequentie. Terwijl het beweegt, botst het tegen de luchtmoleculen eromheen, waardoor ze periodiek worden samengedrukt.

De gecomprimeerde gebieden dragen deze energie ook over op hun aangrenzende luchtmoleculen en de verstoring beweegt door de lucht totdat het uw oor bereikt, bij welk punt het energie overdraagt naar je trommelvlies, dat op dezelfde frequentie zal trillen - en door je hersenen als geluid wordt geïnterpreteerd.

Wanneer je spreekt, tril je je strottenhoofd (een kleine holle buis aan de bovenkant van je luchtpijp), die op zijn beurt de lucht eromheen trilt, die vervolgens de geluidsenergie naar de luisteraar verspreidt. Door het weefsel in je strottenhoofd samen te trekken en uit te breiden en de articulators in je mond (je lippen, tong en andere mondstructuren) te manipuleren, kun je verschillende geluiden maken.

Alle objecten kunnen geluidsbronnen zijn die geluid maken op dezelfde manier - door te trillen en die trillingen over te dragen naar een aangrenzend medium, zoals de lucht.
De snelheid van het geluid

Geluid reist met een snelheid van v (geluid in droge lucht) \u003d 331.4 + 0.6T _{c
waarbij T c
de temperatuur in Celsius is. Op een standaarddag van 20 graden Celsius (68 graden Fahrenheit) reist geluid met ongeveer 343,4 m /s. Dat is ongeveer 768 mijl per uur!}

De snelheid van het geluid is verschillend in verschillende media. De snelheid waarmee een geluidsgolf in water reist, kan bijvoorbeeld groter zijn dan 1,437 m /s; in hout is dit 3.850 m /s; en in aluminium, meer dan 6.320 m /s!

Over het algemeen reist geluid sneller in materialen waar de moleculen dichter bij elkaar liggen. Het reist het snelst in vaste stoffen, de tweede snelst in vloeistoffen en het langzaamst in gassen.
Experiment: de snelheid van geluid meten

U kunt een eenvoudig experiment uitvoeren om de snelheid van het geluid te meten. Om dit te doen, heb je een geluidsemitterende bron nodig (dit kan een stemvork zijn, een handklap of je eigen stem), en een reflecterend oppervlak op een bekende afstand van de bron (zoals een stevige klifwand enkele meters in voor je, of het gesloten uiteinde van een eenvoudige buis).

Mits je apparatuur hebt (en /of snel genoeg reflexen) die de tijdspanne kan meten tussen wanneer geluid wordt uitgezonden en wanneer het terugkeert naar de bronlocatie via een echo van het reflecterende oppervlak, u hebt voldoende informatie om de snelheid te bepalen.

Neem eenvoudig tweemaal de afstand van de bron tot het reflecterende oppervlak (aangezien geluid zich verplaatst van de bron naar het oppervlak, en dan weer terug) en deel het door de tijd tussen geluidsemissie en echo.

Stel bijvoorbeeld dat je in een 200 m diepe kloof schreeuwt en een echo terug in 1,14 seconden ontvangt. De geluidssnelheid zou 2 × 200 /1.14 \u003d 351 m /s zijn.
De geluidssnelheid overschrijden

Mogelijk kent u het fenomeen dat bepaalde vliegtuigen de geluidsbarrière doorbreken. Wat dit betekent is dat het vliegtuig sneller vliegt dan de snelheid van het geluid. Op het moment dat het deze snelheid overschrijdt, creëert het een sonische boom.

Een vliegtuig dat reist met Mach 1
reist met de snelheid van het geluid. Mach 2 is twee keer de snelheid van geluid enzovoort. Het snelste vliegtuig ter wereld was de Noord-Amerikaanse X-15, die op 3 oktober 1967 een snelheid van Mach 6.7 bereikte.

Op het land werd de geluidssnelheid op 15 oktober 1997 verbroken door Andy Green die 763.035 mijl per uur reed in een ThrustSSC jet-auto in de Black Rock Desert in Nevada.
Frequentie en golflengte

De frequentie van een golf is het aantal trillingen dat op een bepaald punt in het medium optreedt per seconde. Het wordt gemeten in eenheden van Hertz (Hz) waarbij 1 Hz \u003d 1 /s. De golflengte van een geluidsgolf is de afstand tussen twee opeenvolgende gebieden met maximale compressie. Het wordt meestal gemeten in eenheden van meters (m).

De snelheid van een geluidsgolf, v,
is direct gerelateerd aan de frequentie f
golflengte lambda via v \u003d λf
.

De snelheid van het geluid in een bepaald medium is niet afhankelijk van de frequentie of golflengte, maar is in plaats daarvan een constante van dat specifieke medium. De frequentie van een geluidsgolf zal altijd overeenkomen met de frequentie van de geluidsbron, dus het is niet afhankelijk van het medium of de golfsnelheid.

Daarom zijn de frequenties in twee verschillende media hetzelfde, terwijl snelheden zullen specifiek zijn voor de media en de golflengten zullen dienovereenkomstig variëren. (Hoge frequentie komt overeen met kleine golflengtes en vice versa.)

Frequentiebereiken die meestal door het menselijk oor worden gedetecteerd, lopen van 64 Hz tot 23 kHz, hoewel mensen de neiging hebben hun vermogen om de hogere frequenties te horen verliezen als ze verouderen. Honden kunnen daarentegen helemaal tot ongeveer 45 kHz horen (daarom reageren ze op hondenfluitjes die niet hoorbaar zijn voor mensen), katten kunnen tot 64 kHz horen en bruinvissen kunnen tot 150 kHz horen!
"In de ruimte kan niemand je horen schreeuwen"

Je komt zonder twijfel dit citaat uit de film uit 1979 Alien
tegen, en het klopt: geluid beweegt niet in een vacuüm. Dit komt omdat het een medium nodig heeft. Er moet wat materiaal tussen de geluidsbron en jou zijn om het geluid te verspreiden.

Dus al die ruimtegevechten die je in films ziet met de luide explosies? Helemaal niet waar! Er zou geen geluid zijn omdat er geen medium voor is om door te reizen.
Geluidsintensiteit en Geluidsenergie

Geluidsintensiteit, I
, is het geluidsvermogen per oppervlakte-eenheid. De SI-eenheid voor geluidsintensiteit is watt /m ^{2 waarbij I _{0
\u003d 10 -12 W /m 2 wordt beschouwd als de drempel voor het menselijk gehoor. In de volksmond is geluidsintensiteit wat wij beschouwen als de 'luidheid' van een geluid.}}

Een veel voorkomende manier om waargenomen luidheid van geluid te presenteren, is met behulp van de decibel (dB) schaal, waarbij de geluidsintensiteit in decibel is \u003d 10_log (I /I _{0) ._}

Deze schaal is handig omdat mensen luidheid niet lineair waarnemen. Dat wil zeggen, een geluid met twee keer de intensiteit kan meer dan twee keer zo luid lijken als het stil begon, en minder dan twee keer zo hard als het al wat luid begon. De decibelschaal biedt cijfers die consistent zijn met onze waarnemingen.

Het geluid van licht ademt bij ongeveer 10 dB, terwijl het gesprek in een restaurant ongeveer 60 dB is. Een jet-flyover op 1000 ft is ongeveer 100 dB. Een pijnlijke donderslag bij een grens is 120 dB, en je trommelvlies scheuren bij 150 dB.

De energie in een geluidsgolf is direct gerelateerd aan de intensiteit. De eenheden van intensiteit, W /m ^{2, zijn hetzelfde als J /(sm 2) of energie in joules per seconde per vierkante meter.
Muziekinstrumenten}

Bedenk dat de de snelheid van het geluid hing alleen af van het medium en niet van de frequentie van de golf. Dit is een goede zaak omdat anders luisteren naar een concert een vreselijke ervaring zou zijn, met verschillende muzieknoten die je buiten de orde bereiken.

Verschillende frequenties van geluid komen overeen met verschillende toonhoogtes of muzieknoten. Wanneer een zanger zingt, produceren ze verschillende frequenties door de grootte en vorm van hun strottenhoofd te veranderen. Muziekinstrumenten zijn ontworpen om geluid van zuivere tonen te creëren, meestal door staande golven te maken, hetzij in een buis of pijp, of langs een snaar.

Overweeg een snaarinstrument zoals een gitaar. De frequentie waarmee een geplukte snaar trilt, hangt af van zijn massadichtheid (hoeveel massa per lengte-eenheid), de spanning in de snaar (hoe strak hij wordt vastgehouden) en zijn lengte. Als je naar een gitaar kijkt, zul je zien dat elke snaar een verschillende dikte heeft. Met de afstemknoppen aan het uiteinde van het handvat kunt u de snaarspanning aanpassen, en de frets geven u plaatsen om uw vingers te plaatsen om de snaarlengte te wijzigen terwijl u speelt, waardoor u veel verschillende noten kunt maken.

Houtblazers, daarentegen, bestaan uit holle buizen waar staande golven kunnen worden gecreëerd in luchtkolommen (net als in uw strottenhoofd). Met de verschillende klankgaten op een dergelijk instrument kunt u het type staande golven wijzigen dat kan worden gevormd, en daarmee de noten die kunnen worden gespeeld.

Voor een instrument zoals een trombone kunt u ook de buis aanpassen lengte door de schuif heen en weer te bewegen, waardoor staande golven met verschillende frequenties en dus verschillende noten kunnen worden gespeeld.

Slaginstrumenten, zoals drums, vertrouwen op trillingen van een membraan (zoals een drumkop) . Net als het bespelen van de snaren van een gitaar, wanneer je de drumkop op verschillende locaties slaat, vormen zich staande golven op het membraan, waardoor geluid wordt gecreëerd. De frequentie en kwaliteit van het geluid is afhankelijk van de grootte van het membraan, de dikte en spanning