Ljud
Från Rilpedia
Med ljud avses mekaniska vågor som utbreder sig i något fysiskt medium; i fasta kroppar, vätskor och gaser är dessa vågor longitudinella, det vill säga de breder ut sig i ljudets riktning (från dess källa mot hörselorganet) och inte upp och ned så som en sträng gör. Ljudvågor är därmed skillnader i täthet i mediet. Bilden försöker återge detta på så sätt att ljusa områden skall tolkas som luft med lägre densitet än normalt, mörka partier luft med högre densitet. Med ljud menas också hörselförnimmelsen i sig. Vetenskapen om ljud är akustik. Oönskat ljud är buller, vilket är att betrakta som ett miljöproblem.
Innehåll |
Ljud och hörsel
Med ljud menas inte bara den mekaniska vågrörelsen, utan även hörselförnimmelsen. Ljudvågor transporterar relativt lite effekt. En talande person sänder bara ut någon tusendels watt, vilket verkar rimligt då det inte är någon större ansträngning att tala. Ljud vore i stort sätt utan intresse, ja, ljud skulle faktiskt inte ens finnas, om det inte fanns djur som exempelvis vi människor som kunde uppfatta små tryckvariationer i luft med hörseln. Vid ett frågeprogram på radio, Svar idag ställdes en gång frågan, huruvida det uppstår ljud då exempelvis en sten faller i marken från ett berg på en avlägsen planet. Svaret från experten (sannolikt astronomen Peter Nilsson ) blev något förbryllande: ”I princip, nej.” Han förklarade, att om det inte finns någon organism närvarande som är utrustad med ett sinnesorgan som uppfattar sådana skillnader i luftens täthet som vi definierar som ljud, så uppstår heller inga ljud. Skillnader i planetens gasatmosfär i form av tryckskillnader skulle visserligen uppstå, men inte det vi kallar ljud. Detta kan i förstone låta paradoxalt, men ’ljud’ i dess betydelse av ’hörselförnimmelse’ är ingen naturlag. Därtill fordras en organism som kan uppfatta och tolka ljudvågor som just ljud. För oss människor är det exempelvis fullkomligt irrelevant i vad mån personer i vår omgivning alstrar elektromagnetiska fält, eftersom vi, i motsats till vissa fiskar, saknar ett sinne som specifikt registrerar elektromagnetism. Beträffande elektromagnetism är vi således helt ”döva”.
Hörbart ljud har frekvenser som ligger inom hörbarhetens gräns, vilken för människans del ungefär omfattar området 20-20 000 Hertz. Ljud med lägre frekvens än 20 Hz kallas infraljud och ljud med högre frekvenser än 20 000 Hz kallas ultraljud. Trots att vi inte kan uppfatta infraljud med vår hörsel, upplever vi detta ofta såsom obehagligt. Helt tydligt kan vi med andra ord uppleva infraljud med andra sinnesorgan än just hörseln, möjligen med hjälp av tryck- och lägesreceptorer i muskler och senor. Ciarán O’Keeffe, doktor i musik och psykologi samt undersökande parapsykolog, är övertygad om att exempelvis den känsla av ”närvaro” av avlida personer som medier upplever i så kallade hemsökta hus, i själva verket är någon form av infraljud. I ett program som sändes på Discovery Channel visade han att ett kontor, som redan från första början stämplades som en plats för spöken, låg i riktningen av en biltunnel, vilken vid lämpliga vindförhållanden, likt en gigantisk orgelpipa alstrade mycket lågfrekventa och kraftiga infraljud. Källa: Travel Channel: Most Haunted Live (engelska).
Ljudvågor fångas upp av ytterörat (öronmusslan) och den yttre hörselgången och leds in mot trumhinnan, som sätts i vibration. Rörelsen överförs med hjälp av de tre hörselbenen hammaren, städet och stigbygeln till det ovala fönstret, som sitter i ena ändan på hörselsnäckan. Hörselsnäckan består av en snäckformad tunnel, delad i två kanaler av ett par membran, basilarmembranet, på vilket sinneshåren sitter, och vestibularmembranet. Hörselsnäckan avslutas med runda fönstret som även det är ett elastiskt membran. När vätskan i hörselsnäckan via ovala fönstret sätts i svängning uppstår vågmönster i vätskan som deformerar basilarmembranet. Deformationen, som ger information om den inkommande signalens frekvens och amplitud, registreras av sinneshår som skickar signalen vidare till hörselcentrum i hjärnan via hörselnerven. Frekvensselekteringen sker alltså primärt i basilarmembranet.
En hörselskadad person har nedsatt hörsel på ett eller båda öronen. Hörselskadan kan vara medfödd (barndomshörselskada) eller tillkommen senare, i vilket fall så beror nedsatt hörsel på att hörselsystemet är skadat på något ställe. Hörselsnäckan är den svagaste delen i hörselsystemet.
Ljudhastighet och vågutbredning
Ljud- och vibrationsvågor är mekaniska elastiska vågor. Detta betyder att villkoren för att de ska finnas är att mediet har massa och elasticitet. Om en masspartikel förskjuts från sitt ursprungsläge kommer de elastiska krafterna försöka återföra den till ursprungsläget. Vidare, när partikeln rör sig kommer de elastiska krafterna att påverka närliggande partiklar så att svängningsrörelsen sprids. Denna spridning av vibrationerna är vågutbredningen. Ljudvågen kan ses som en energibärande störning som medför små elastiska svängningar omkring vilolägen för partiklarna i mediet.
Man brukar skilja på longitudinella och transversella vågor. De longitudinella vågorna har partikelrörelse som är parallell med utbredningsriktningen. Elastiska vågrörelser i gaser (fluider) är av longitudinell typ. Detta beror på att i gaser och vätskor inte kan hålla skjuvspänningar. Om partiklarna svänger i en riktning som är vinkelrätt mot utbredningsriktningen kallas vågtypen transversalvåg. Exempelvis är vågrörelser på ytan av stillastående vattensamlingar till stor del transversella. Inom akustiken är denna typ av vågrörelse en viktig komponent vid beskrivningen av fasta material.
Ljud fortplantar sig med en viss ljudhastighet, vilket betyder att det tar en viss tid för ljudet att nå fram till mottagaren från det att det sändes iväg. Jämför med åskväder; först ser man blixten, sedan hör man knallen. Om hastigheten hade varit oändligt stor hade ljudet nått mottagaren samtidigt som det skapades i källan, om hastigheten hade varit noll så hade någon ljudutbredning aldrig skett.
Ljud fortplantar sig med olika hastighet i olika medier, och bestäms av mediets styvhetsegenskaper och densitet. För longitudinella vågor och transversella skjuvvågor är ljudhastigheten en materialkonstant. I luft är den 343 m/s vid en temperatur på 20 C. I luft och andra ideala gaser ökar ljudhastigheten i proportion med kvadratroten ur den absoluta temperaturen (i Kelvin), men den är oberoende av lufttrycket och påverkas endast marginellt av luftfuktigheten. Ljud kan inte fortplantas alls i vakuum. Longitudinella ljudvågor färdas med 5200 m/s i stål, medan det bara färdas 50 m/s i gummi. I luft (och andra longitunella vågor) är hastigheten alltså en konstant, vilket innebär att ljudet behåller sin form medan det fortplantar sig, det vill säga det är samma ljudsignal som når mottagaren som sändes från källan.
I fasta material kan ljud även fortplanta sig som transversella skjuvvågor, och i tunna fasta strukturer som plattor och balkar som böjvågor. Böjvågor är speciellt viktiga då dessa strålar ut ljud bra till omgivningen.
Ljudets vågutbredningen kan matematiskt beskrivas med hjälp av en differentialekvation kallad vågekvationen, i det homogena fallet
där p är ljudtrycket och c är ljudhastigheten.
Ljudets styrka
Ljudets styrka kan uttryckas i olika fysikaliska storheter, så som ljudtryck och ljudintensitet. Ofta uttrycks styrkan i dess ljudnivå med det logaritmiska måttet decibel (dB). Man talar därför om ljudtrycksnivå och ljudintensitetsnivå, etc.
Andra fysiska aspekter
Ljud som upprepas en eller flera gånger, genom naturlig reflektion eller artificiella metoder, kallas eko om man tydligt hör varje enskild vågfronts passage. Ett specialfall är fladdereko som uppkommer mellan två parallella reflekterande ytor - ljudet av en handklapp låter då nästan som en fjäder. Om man inte tydligt hör varje reflex så talar man i stället om efterklang.
Ett ljudfält som inte är påverkat av eko eller reflektioner från olika ytor och objekt kallas ett fritt fält. Ljudfältet består då bara av det direkta fältet från ljudkällan.
Dopplereffekten är ett fysikaliskt fenomen, som innebär en förändring av frekvensen hos en ljudsignal beroende på om ljudkällan närmar sig eller avlägsnar sig i förhållande till observatören. Detta beror på att ljudkällans hastighet dras från eller läggs till ljudets hastighet.
Teknik och kommunikation
Akustikreglering
När man vill förändra de akustiksa förhållandet i ett rum så talar man om att man akustikreglerar rummet. Rumsakustik är den del av akustiken som främst sysslar med ljud i rum. De rum man studerar är oftast sådana där musik eller tal ska framföras och nå fram till en lyssnare, exempelvis konsertlokaler, teaterlokaler, hörsalar och skolsalar. För att skatta rumsakustika parametrar, så som efterklangstiden, i ett rum kan man använda sig av förenklade teoretiska modeller, som Sabines formel, eller mer omfattande modeller som strålgångsberäkning med dator. För att förändra akustiken i ett rum använde man sig av ljudabsorberande material.
Kommunikation på avstånd
För att kommunicera över långa avstånd eller i bullriga miljöer har man genom historien funnit olika sätt att förstärka eller leda ljud från en plats till en annan. När den mänskliga rösten inte räckt till har man utnyttjat akustiken i naturen eller till exempel konstruerat talrör för samtal mellan kommandobrygga och maskinrum ombord på ett fartyg. Under 1800-talet lärde man sig omvandla ljudets mekaniska svängningar till elektromagnetiska dito, och tillbaka igen till hörbart ljud, varvid såväl den elektriska hörapparaten som telefonen skapades. Senare tillkom ljudradio och megafon.
Lagra ljud
Tekniken att ljudinspelning och att lagra ljud för senare återgivning började utvecklas i slutet av 1800-talet med den första användbara fonografen. Det första inspelade ljudet man hittat är ifrån 1860, och spelades in av en fransyska på en fonoautograf som uppfanns av Édouard-Léon Scott de Martin. Utveckingen har fortsatt under 1900-talet med skivspelaren, trådspelaren och bandspelaren. I och med datorns utveckling har man också tagit fram metoder för digitalisering av ljud så att dessa kan lagras på ett digitalt medium eller överföras medelst datakommunikation, och lagras som en ljudfil.
Ljuddesign
Ljuddesign är arbetet med att forma en ändamålsenlig och/eller fördelaktig ljudbild för en viss produkt, miljö eller varumärke. Det handlar alltså om att via hörseln påverka en användares upplevelser. Ljuddesign kan också uppfattas som arbetet med att bestämma hur ett visst ljud ska låta.
Användning av ultraljud
Inom medicin och industri används ultraljud för diagnostik, bearbetning och rengöring. Ultraljud vid graviditet görs för att fastställa graviditetens längd och antal foster.
Källor
- Ljud och Vibrationer, H Bodén, U Carlsson, RGlav, H P Wallin och M Åbom, KTH, 2001
