Lyd 2

Svingninger | Egenfrekvens og resonans | Bølger 
Længdebølger og tværbølger | Nærmere beskrivelse af bølger 
 Lydens udbredelse | Lydens hastighed | Lydens retning 
Brydning (refraktion) | Bøjning (diffraktion) | Tilbagekastning (refleksion) 
Bølger forstyrrer hinanden (interferens) | Lydstyrke | Akustik | Lydspektret 
Ultralyd | Infralyd
Lyd-links

 

 

Lyd opstår som følge af svingninger, og den udbreder sig som bølger. Derfor vil vi studere de to ting nærmere.

Svingninger
Et lod bundet i en snor og et lod i en fjeder kan vi sætte til at svinge. De kan begge blive ved med at svinge et godt stykke tid, men efterhånden vil luftmodstand og anden gnidningsmodstand gøre, at de går i stå. Sådanne svingninger kalder vi dæmpede svingninger. Langt de fleste svingninger er dæmpede. Derfor "dør lyde ud", hvis der ikke hele tiden tilføres ny energi til at holde svingningerne i gang.

 

Én svingning er en hel tur fra A til B og tilbage til A igen

Det vil gøre livet lidt lettere, hvis du kender et par udtryk i forbindelse med svingninger og penduler:
bulletsvingning: én svingning er en hel tur frem og tilbage eller op og ned
bulletsvingningstid: svingningstiden er den tid (målt i sekunder), det tager for pendulet at foretage én svingning
bullet frekvens: det antal svingninger pendulet foretager pr. sekund
bulletamplitude: udsvingets størrelse målt fra midterstilling til yderpunkt

 

Egenfrekvens og resonans
Hvis man sætter et pendul i svingninger og ellers lader det hænge i fred, kan man se to ting: 
Pendulet svinger i en rytme, der er naturlig for netop dét pendul, pendulet har sin egenfrekvens
Frekvensen forbliver den samme, men udsvingenes størrelse (amplituden) bliver mindre og mindre som tiden går, fordi svingningerne er dæmpede. Til sidst står pendulet stille.

Skubber du én på en gynge, så gør du det som regel i samme rytme som gyngens egen (gyngens egenfrekvens). Du skubber i takt med gyngen. Når du gør det, siger vi, at der er resonans mellem din skubben og gyngens svingninger. Hvis du prøver at skubbe i en forkert takt, fx ved at skubbe, før gyngen er helt tilbage, så går der kludder i gyngens bevægelse. Du og gyngen er ude af takt - der er ikke resonans mellem jer - og gyngens bevægelser bliver kaotiske.
Er der resonans mellem dig og gyngen, kan du med lette skub få gyngens amplitude til at blive større og større, men stadig følger gyngen sin egenfrekvens. På lignende måde holdes pendulet i et pendulur i gang: det får et lille puf, hver gang pendulet er i en yderstilling.

Lyd opstår ved svingninger, så de ting, vi har fortalt om pendulsvingninger gælder altså også for svingninger, der fremkalder lyd.

Bølger
Bølger dannes næsten altid ved svingninger: Lydbølger ved, at en genstand svinger, radiobølger ved, at elektriske partikler svinger og bølger på reb på grund af håndens svingning.

En bølgebevægelse overfører energi fra et sted til et andet 
uden at overføre stof (vand, luft, reb eller lignende).
 

Det ser ud som om vandet vandrer hen over en sø med bølger. Men ved at smide en prop ud, kan man hurtigt overbevise sig om, at vandet bliver, hvor det er: Proppen bevæger sig bare op og ned. Den kraft eller energi, der er i bølgen, vandrer gennem det øverste vandlag. 
Hvis en båd uden sejl driver hen over vandoverfladen, er det altså ikke på grund af bølgerne, men fordi strømninger i vandet fører den af sted.

Endnu lettere er det at indse, når man laver bølgebevægelser med et reb. Man kan tydelig mærke kraften fra en bølge, der kommer fra den anden ende af rebet, men selve rebet bliver, hvor det er. Hvert enkelt punkt på rebet bevæger sig bare op og ned, og den bevægelse forplanter sig hen gennem rebet.

Den slags bølger, vi har nævnt her, kalder vi mekaniske bølger, fordi de bliver overført gennem et stof eller materiale
Elektromagnetiske bølger (radiobølger, lysbølger osv.) kan overføre energi gennem det tomme rum. Man kan alså sende radiobølger til månen, men ikke råbe derop.

Længdebølger og tværbølger
Ved længdebølger svinger partiklerne i samme retning, som selve bølgen bevæger sig. På en lang fjeder kan man let vise længdebølger ved at presse et lille område af fjederen sammen og pludselig slippe. En bølge af "sammenpresset fjeder" vil tydeligt vandre på langs gennem fjederen.
I luften udbreder lyden sig på den måde ved, at luften bliver skiftevis presset sammen (en fortætning) og "trukket tynd" (en fortynding). Vi siger, at lydbølger består af fortætninger og fortyndinger af luften, der bliver sat i gang af en genstand, der svinger.

Fortætning (sammenpresning) og fortynding af luften - u er udbredelsesretningen.

Tværbølger svinger på tværs af udbredelsesretningen.

 

Bølger på et reb er tværbølger. Bølgerne går op og ned samtidig med, at de løber hen ad snoren, altså går de på tværs af den retningen, bølgen udbredes.

Bølger på væskeoverflader som f.eks. vand er en blanding af længde- og tværsvingninger. Hver enkelt vandpartikel tager en rundtur, når en bølger passerer. Mest ligner de nok tværbølger, blot således, at partiklerne ikke kun bevæger sig lige op og ned.
Vil man studere vandbølger, skal man ikke gøre det ved stranden. Her er som regel så lavvandet, at vandpartiklernes "rundtur" bliver forstyrret af bunden, og bølgerne "går i stykker" (brænding).

De stiplede linier viser enkelte partiklers baner i væskebølger

Nærmere beskrivelse af bølger
Når vi skal beskrive bølger, tegner vi dem oftest. 

Længdebølger er besværlige at tegne og ikke tydelige at overskue, så selv om det er lydbølger, vi skal snakke om, bliver de ofte tegnet som tværbølger.
Når vi tegner bølger, kalder vi det grafisk beskrivelse af bølger. Nogle egenskaber bliver tydeligst, hvis vi beskriver dem med matematiske formler. Altså laver en matematisk beskrivelse.

I forbindelse med bølger, er der også nogle udtryk, der er praktiske at kende. Flere går naturligt nok igen fra afsnittet om svingninger, men de formuleres lidt anderledes, når vi snakker om bølger:
bulletbølgelængde: afstanden mellem to bølgetoppe (eller to andre tilsvarende punkter på bølgen)
bulletamplitude: afstanden fra bølgemidten til toppen (eller det halve af afstanden fra bølgedal til bølgetop)
bulletfrekvens: antallet af hele bølger, der passerer et givet sted pr. sekund (man kan fx tælle bølgetoppe pr. sek.)
bulletdæmpning: bølgens amplitude bliver mindre og mindre, fordi den svingende genstand mister energi ved gnidning - til sidst "dør bølgen ud"
bulletudbredelsesretning: den retning bølgens energi spredes i
bulletudbredelseshastighed: den hastighed bølgens energi udbreder sig med 

Sådan kan en dæmpet svingning illustreres

Lyde fremkaldt af "sinussvingninger" fornemmes som "bløde" og "rene". 

Det er langt fra altid, at bølger er så pæne og simple, som vist ovenfor.

Lyde som fremkaldes af svingninger med "skarpe kanter" bliver også skarpe. 

De sammensatte bølger (her fløjtetoner) strømmer ud fra al musik. 
Her er de "skarpe og kantede" eller de rene sinusbølger sjældnere.

Ved alle slags bølger har der vist sig at være en sammenhæng mellem udbredelseshastigheden, frekvensen og bølgelængden. Matematisk kan det skrives 

v = f × l

 

v er udbredelseshastigheden i m/s (fx 340 m/s for lyd eller 300.000.000 m/s for lys)

f er frekvensen og l (udtales 'lambda') er bølgelængden

 

Et par eksempler: Lyd går gennem luften med ca. 340 m/s. Pausesignalet i DR1 har en frekvens på 1000 Hz

340 = 1000 ×

l = 340/1000 = 0,34 m

Bølgelængen for hyletonen er altså 34 cm

Hvilken bølgelængde har mon den samme tone, når den går gennem vand og stål:

Lydhastigheden i vand = 1450 m/s, så vi får.

1450 = 1000 × l eller  l = 1,45 m  

Lydhastigheden i stål = 4877 m/s . Dvs.  bølgelængden bliver 4,877 m.

 

Lydens udbredelse
Lydens udbredelse kan beskrives ved to egenskaber: Hastighed og retning.

Lydens hastighed
Lydhastigheden afhænger af to ting:
bulletStoffets "sammenpresselighed". Jo vanskeligere det er at presse stoffet sammen, des hurtigere forplanter lyden sig gennem det. Derfor går lyden langsommere gennem luft end gennem væsker og faste stoffer. I et materiale som gummi, der er meget sammenpresseligt, er lydhastigheden kun 50 m/s.
bulletStoffets massefylde. Jo større massefylde (tungere materiale), des langsommere lydforplantning.

To luftarter som atmosfærisk luft og kuldioxid er næsten lige lette at presse sammen, men CO2 er tungere end luft, så derfor er lydhastigheden mindre i CO2 end i luft ( i CO2 260 m/s og i atm.luft 340 m/s).
Kold luft er tungere end varm luft, derfor går lyden hurtigere i varmt vejr end i koldt (344 m/s ved 20°C og 332 m/s ved 0°C, hastigheden stiger med 0,59 m/s for hver grads stigning).
Fugtig luft betyder hurtigere lyd, fordi den er lettere end tør luft.

Hastigheden afhænger ikke af, om tonen er høj eller dyb, altså ikke af frekvensen. Det er også godt det samme, for det ville ikke være rart at høre på et band på hundrede meters afstand, hvis bas- og diskanttoner ikke ankom til øret samtidigt!

Lydens retning
Når man skal vise lydens udbredelse er det ofte praktisk at tegne en pil fra lydgiver til lydmodtager i stedet for billedet af lydbølgerne. Ved uregelmæssigheder i udbredelsen bliver det ellers til sidst næsten umuligt at overskue med de mange ringe.
Lyden udbreder sig retlinet, når den forplanter sig i et ensartet medium, fx i luften i stille vejr. Det skal forstås således, at den "portion" lydenergi, der starter fra stemmegaflen med retning mod øret fortsætter retlinet, indtil den (og dermed lyden) når øret.

Lydenergi udgår i alle retninger, så hvor man end lytter, får man en "portion lydenergi", men den portion, man får, har bevæget sig i en ret linie fra lydgiver til øre. Derfor kan man vise lydens retning med en pil.

Brydning (refraktion)
Men er der fx en stor forskel på temperaturen ved jordoverfladen og højere oppe, vil lyden brydes (retningen ændres) enten opad eller nedad. I stille vejr i polarområder ligger den meget kolde luft tæt nede ved isoverfladen og en betydeligt varmere luft ovenover. Lyden bevæger sig hurtigere i varm end i kold luft, og denne forskel i udbredelseshastighed får lyden til at brydes nedad mod fjerne "lyttere". Dvs. lyden kan høres længere væk end ellers.

Enhver jæger eller stifinder ved også, at lyden udbreder sig bedre i medvind end i modvind. Vindhastigheden er større jo højere, man kommer op over jordens overflade, og lyden bevæger sig hurtigere, når luften også bevæger sig i samme retning. Når man så råber med vinden, bliver den del af lyden, der er rettet opad, brudt og kastet ned mod den fjerne "lytter". Modsat bliver lyden i modvind brudt væk fra jorden og dermed hen over "lytterens" hoved.

 
I de to tilfælde siger vi, at lyden brydes. Brydning kaldes med et fagudtryk: refraktion.

Bøjning (diffraktion)
Kommer der bølgeringe mod en sten, der stikker op over vandoverfladen, vil du lægge mærke til, at bølgerne blot smyger sig uden om stenen, hvis den da ikke er alt for stor.
Tilsvarende smyger lyden sig let uden om en bog eller lignende, mens lyset bliver bremset af bogen. Hvorfor nu det? Fordi lyden har meget større bølgelængde. Forhindringen (bogen) må ikke være for stor i forhold til bølgelængden. For lyd inden for menneskers høreområde er bølgelængden mellem 2 cm og 20 m, mens synlig lys' bølgelængde ligger på 0,0004 - 0,0008 mm, så der skal en hårfin forhindring til, hvis lys skal bøje omkring den.

 

Bølgerne smyger sig blot uden om den lille forhindring øverst i billedet, mens der bag den store forhindring dannes "skygge", dvs. et område næsten uden bølger. 

 
En forhindring kan også være et hushjørne. Lyden går let omkring hushjørner, men det gør lyset ikke.
Arbejder man med ultralyd, går lyden ikke nær så let omkring hjørner og forbi forhindringer, for her er bølgelængden nede under de to cm. Når ultralyd rammer en forhindring, bliver der derfor en "skygge" bag forhindringen.

Tilbagekastning (refleksion)
Lyd reflekteres efter de samme regler som lys:

indfaldsvinkel = udfaldsvinkel

 


 
Men på grund af de store bølger, der smyger sig omkring alverdens ting, er det ikke helt så nemt at se og måle, som det er for lys.

Lydrefleksioner er bl.a. afgørende for, hvorledes vi hører toner og andre lyde i et rum (akustik, se nedenfor).

Bølger forstyrrer hinanden (interferens)
Sidder fire mennesker over for hinanden og taler parvis på tværs af bordet, kan de godt høre, hvad hinanden siger. Det må betyde, at lydbølgerne passerer hinanden uden at ændres, ellers ville lydene blive forvrænget.
Der, hvor bølgernes fortætninger og fortyndinger møder hinanden, vil de ganske vist påvirke hinanden, men umiddelbart efter at have passeret hinanden er alt igen ved det gamle, og den "ubeskadigede lyd" forplanter sig videre.
I kan se det samme ved at smide to sten i vandet: Bølgeringene vil brede sig, og der bliver blot en lille forandring lige dér, hvor de mødes - men straks efter går de videre.
Kun lige, hvor de passerer hinanden kan man se, at de "blander sig", forstyrrer hinanden - det kalder man interferens.
Hvis man i et stort kar får en vibrator til at hele tiden at lave bølger fra to steder, vil man se, at der kan opstå et fint mønster, hvor bølgerne mødes. Det kaldes et interferensmønster.

 

Interferens mellem bølger fra to punkter. Hvor bølgetop møder bølgetop, eller bølgedal møder bølgedal, forstærker bølgerne hinanden: konstruktiv interferens.
Hvor bølgetop møder bølgedal, udligner de hinanden (ødelægger hinanden, ophæver hinandens virkning): destruktiv interferens.

 

Sådanne forstyrrelser opstår først og fremmest, når bølgerne er regelmæssige og har (næsten) samme bølgelængde, og så skal bølgekilderne ikke være for langt fra hinanden, højst nogle få bølgelængders afstand

I dagligdagen sker det ikke så tit, fordi tale og musik indholder et mylder af forskelligartede bølger, så slutresultatet bliver som regel, at man ikke kan høre nogen forstyrrelser - altså ikke mærker til lydinterferens

Hvis man derimod bevidst forsøger at lave interferens med lyd, er det ikke svært at høre

Et meget simpelt eksempel at efterprøve er en særlig type interferens, der kaldes svævning. Én starter med at fløjte en tone, og en anden fløjer én, der er en lille smule forskellig fra den førstes tonehøjde. Man vil høre en tone med den gennemsnitlige frekvens, men med en amplitude, der varierer (jo tættere de to toners frekvenser er  på hinanden, jo langsommere variation)

Det er det samme, der sker, hvis én på et blokfløjtehold ikke har fået stemt sin fløjte ind efter de andres. Klaverstemmeren udnytter fænomenet, når han skal stemme et klaver.

 

Lydstyrke

Afstandskvadratloven

Ude i det fri, f.eks. på en åben mark, er der ikke meget til at reflektere lyden. Hvis vi derfor koncentrerer os om den lille lyd-energimængde, der går i en bestemt retning ud fra klokken på billedet, kan vi se, at når den når 3 gange så langt ud, er den fordelt på et 9 gange større areal. 5 gange så langt ude ville arealet være 25 gange større og 10 gange så langt, 100 gange større.

Lydintensiteten (dvs. lydenergien pr. areal) aftager med 2. potens af afstanden - vi siger også

 

lydstyrken aftager med kvadratet på afstanden fra lydgiveren

 

 

Afstandskvadratloven gælder kun, når vi befinder os i frit luftrum (eller midt i havet), ikke hvor der er mure eller andre forhindringer. Heller ikke hvis man taler gennem et langt rør. Her sendes lydenergien samlet gennem røret, og en del opsuges af rørets sider undervejs - mest i et rør med blød inderside.

Med et støjapparat anbragt på en åben plæne eller mark og en støjmåler kan loven nemt efterprøves. Resultaterne kan fx sammenlignes med de forventede i et regneark.

 

Akustik
I akustik beskæftiger man sig med at designe og indrette rum, så der bliver en god lyd. Alle kender nok den ubehagelige lyd (dårlige akustik), der er i store rum med bare, hårde vægge, loft og gulv. Disse flader reflekterer lyden og giver ekko-effekt - efterklang. Det betyder, at lyden bliver ved med at fare rundt i rummet en tid og genere de næste lyde, der kommer fra personer, musikinstrumenter, værktøj eller lignende. Er der stor efterklang, kan lyden føles som en gang ubehagelig "grød" og støj, og skal man opholde sig længe i sådan et lokale, kan man let blive utilpas og få hovedpine.

Er der dårlig akustik i en mødesal, kan man stort set kun høre dem, man sidder lige ved siden af , fordi alle snakker højt for at overdøve den konstant rungende efterklang.

For at bryde og sluge lyden, så efterklangen formindskes, kan man bruge bløde materialer til at dække rummets flader. Det kan være gulvtæpper, bløde væg- og loftsplader, eller plader med en særlig ujævn overflade. Mange steder bruges også at hænge lydabsorberende plader ned fra loftet, så en betydelig del af ekkoet bliver fanget i dem.

Et rum med for ringe efterklang er også ubehageligt at være i. Kun den lyd, der går direkte fra lydgiver (mund, instrument) til øret kan man høre i sådan et rum. Her føles det, som om alle lyde er "pakket ind i vat". I tøjbutikker kan man opleve noget, der nærmer sig sådanne lyddøde rum. Her giver loftet dog en vis efterklang.

Når man fremstiller højtalere eller andet apparatur og udstyr til lyd, bliver det ofte afprøvet i et helt lyddødt rum, for at man kan måle dets lydegenskaber uforstyrret af ekko

Et rums efterklang måler man ved at udsende en høj kortvarig lyd med en højtaler og opfange efterklangen med en mikrofon. På et instrument kan man så aflæse den tid, det tager, før lyden er tilpas dæmpet - efterklangstiden. Den må hverken være for stor eller for lille, hvis vi skal føle os tilpas i rummet. Naturligvis afhænger den ideelle efterklangstid også af, hvad rummet skal bruges til. Det er ikke ligegyldigt, om det er et lokale i en børnehave eller i et musikstudie.

 

Lydspektret - ultralyd og infralyd
I forbindelse med synligt lys taler vi om lysets spektrum, som er en lille del af det elektromagnetiske spektrum.

På tilsvarende måde taler vi om et lydspektrum, hvoraf hørlig lyd kun er en lille del.

bullet

Lyde med en frekvens over det menneskelige øres opfattelsesevne, altså over 20.000 Hz, kaldes ultralyd.

bullet

Lyde med frekvens under menneskeørets høregrænse kaldes infralyd. Her taler vi om frekvenser under 15-25Hz.

Vi siger, at ultralyd er højfrekvent lyd, og infralyd lavfrekvent.

 

Ultralyd
Et apparat, der kan frembringe ultralyd, kalder vi en ultralydsgenerator. Simple ultralydsgeneratorer, der kan frembringe fx 40.000 Hz, er lette at lave i elektronik. De mere avancerede kan frembringe lyde med frekvenser op til mange gigahertz (1 GHz = 1 milliard Hz). 

Både den simple og den avancerede ultralydsgenerator fungerer ved at omdanne hurtige elektriske vekselstrømme til mekaniske svingninger, oftest i et krystal (piezoelektricitet). Et sådant krystal kan også fungere som mikrofon for ultralyd, og som sådan bruger man den, når man skal detektere (opspore) og måle ultralyd. Når frekvenserne er meget høje bruger man ofte til samme formål optiske krystaller, hvor ultralyd kan blive synlig, eller lave synlige spor, på grund af lysets spredning i krystalgitret.

bullet

Ultralyd har mange anvendelser i fysik, kemi, teknik og medicin:

bullet

Det bliver i stor udstrækning brugt til ekkolodning, så skibe kan registrere søbunden eller fiskere kan opspore fiskestimer. Ubåde bruger det også til at "se" med på dybt vand - ganske tilsvarende flagermus i luften.

bullet

Man kan homogenisere mælk med ultralyd.

bullet

Med ultralyd kan man registrere revner i industriprodukter i forbindelse med produktionen.

bullet

Man kan måle spæklaget på svin ved en slags ekkolodning.

bullet

Ultralyd kan bore huller i glas.

bullet

Ultralydstråler kan bruges som fin "operationskniv". De bruges til at skære i fx hjernen og ørerne.

bullet

Man kan rense små ting med ultralyd (fx tænder).

bullet

Man taler om ultralydskanning, når man vil undersøge et foster i morens mave - det er faktisk også en slags ekkolodning.

bullet

Man laver "lydmikroskoper" der kan vise meget små detaljer.

bullet

Ultralyd bruges til mange slags behandling på sygehuset, fx i forbindelse med vævsskader, betændelsessygdomme, kræft og nyresten.

bullet

Man kan varmebehandle væv "indefra" med ultralyd - næsten tilsvarende mikrobølgers effekt i en mikrobølgeovn.

bullet

Ultralyd er ofte bedre end røntgenstråler til at opspore kræftsvulster. 

Den mest almindelige anvendelse af ultralyd er til undersøgelse af ugennemsigtige materialers indvendige struktur (opbygning og evt. fejl). Find selv eksempler på dette ovenfor.

Princippet i ultralydsmåling. S er en senderkrystal, som udsender ultralyd. M er en modtagerkrystal, der modtager ekkoet fra et lag i genstanden, vi måler på. I er lydisolering, der isolerer sender fra modtager.

 Ultralyd kan virke på fire måder:

  1. Direkte ved sine svingninger.

  2. Ved den varme, der opstår, hvor en ultralydstråle rammer.

  3. Ved de strømninger, der sættes i gang, når ultralyd rammer en væske.

  4. Ved "bobleeffekt" - boblerne opstår og forsvinder, når ultralyden går gennem en væske.  

 

Infralyd
Infralyd defineres oftest til frekvenser mellem 0,5 og 25 Hz. Den lave frekvens betyder samtidigt, at bølgelængden er stor. I luften er den 680 m ved 0,5 Hz og 13,6 m ved 25 Hz. I vand, hvor lydhastigheden er større (ca. 1480 m/s), er bølgelængden ved 0,5 Hz 3 km!

Bølgelængden har stor betydning for lydens egenskaber:

Som vi har set tidligere, kan en lille forhindring bremse ultralyd og høje toner, mens en bashøjtalers lyde "går om hjørner", fordi bølgelængden er stor. 

Der skal en meget stor forhindring til at stoppe infralyd med bølgelængder på 680 m eller mere! De kan udbrede sig over meget store afstande i luften, i havet eller i jordkloden - hundredvis, ja tusindvis af kilometer. De kan reflekteres ("spejles", give ekko) fra store flader. Det kan være fra forskellige luftlag i atmosfæren, havbunden eller lag i jordkloden.

Infralyd kan, ligesom anden lyd, dannes enten ad naturlig vej eller være menneskeskabt:

Naturlige infralyde kan fx stamme fra jordskælv, vulkaner, lavtryk, havbølger eller vind, der blæser over store bjerge.

Menneskeskabte infralyde kan komme fra langsomt roterende maskiner, ventilationsanlæg, store fly, olieboreplatforme, eksplosioner eller raketopsendelser.

 Med vores hørelse kan vi ikke opfange infralyde, men er de kraftige nok, kan vi alligevel mærke dem som en dyb buldren. Derfor kan infralyde være stærkt generende, og store ventilationsanlæg må være konstrueret, så man undgår infralyde i lokaler.