Ljud Molekyler i rörelse

Transkript

1 A här får du lära dig J hur ljud bildas och sprids varför vi ser blixten före vi hör mullret när åskan går vad som menas med ultraljud och infraljud skillnaden mellan starka och svaga samt höga och låga toner vad resonans är för någonting Fladdermöss använder ultra-ljud för att kunna flyga i mörker. 5 Ljud Molekyler i rörelse Musiker skapar en mängd olika ljud som vi uppfattar som musik. Men det är en smaksak om vi tycker att det är bra eller dålig musik. Oavsett om vi hör sköna toner eller störande oväsen är det ljudvågor som träffar örat. Att beskriva hur ljudvågorna skapas och hur de färdas genom luften är fysikens uppgift. 1 När åskan går hör du mullret efter att du sett blixten. Varför hörs inte mullret samtidigt som du ser blixten? 2 Tror du att ljud hörs bättre, sämre eller lika bra på månen jämfört med på jorden? 3 Varför låter samma ton olika om du spelar den på ett piano jämfört med en gitarr? I innehåll J 5.1 Vad är ljud? FOKUS Tinnitus 5.2 Toner och buller När cymbalerna smäller ihop hörs ett kraftigt ljud. Det skapas genom att cymbalerna börjar vibrera av smällen

2 ad Šr ljud? Š5.1 Vad är ljud? förtätning förtunning { våglängd När en gitarrsträng vibrerar bildas ljudvågor. Avståndet mellan två förtätningar eller två förtunningar kallas våglängd. Strängarna vibrerar när gitarristen spelar på dem. Vibrationer skapar ljud Musik kan skapas av allt från sångröster och gitarrer till trummor och kyrkorglar. Men vad har musik med fysik att göra? Jo, fysiken beskriver hur ljud uppkommer och hur ljudet når våra öron. Ljud skapas av vibrationer. När en gitarrist spelar på en sträng börjar den att svänga snabbt fram och tillbaka den vibrerar och du hör ett ljud. När du sjunger är det dina stämband som vibrerar och när du spelar trummor är det trumskinnen som vibrerar. När gitarrsträngen svänger fram och tillbaka skapas vågor av tätare och tunnare luft som sprider sig i luften. Ljudvågor i luften Hur kommer det sig att vi kan höra det ljud som uppkommer när vi till exempel spelar på en gitarrsträng? Jo, när gitarristen spelar på en sträng börjar den att vibrera. När gitarrsträngen rör sig uppåt, pressar den samman luften på ovansidan. Luftmolekylerna pressas närmare, tätare intill varandra. Vi säger att luften förtätas. På undersidan av strängen blir det tvärtom. Där kommer luftmolekylerna längre ifrån varandra. Vi säger att luften förtunnas. Den vibrerande gitarrsträngen skapar vågor av tätare och tunnare luft som sprider sig åt alla håll i luften. Det uppstår en ljudvåg. Avståndet mellan två förtätningar eller två förtunningar kallas våglängd. Ljudvågen träffar så småningom våra öron. Trumhinnorna påverkas av ljudvågen och börjar svänga fram och tillbaka på samma sätt som strängen. Genom hörselnerven får hjärnan en signal och vi hör en ton. Varför har vi två öron? Om vi inte hade två öron skulle det vara svårt att avgöra varifrån ett ljud kommer. När ljud kommer rakt framifrån, når ljudet båda öronen samtidigt. När ljudet kommer från sidan når ljudet det ena örat först. Den lilla skillnaden i tid överförs till hjärnan och på så sätt kan vi avgöra varifrån ljudet kommer. M fördjupning N 82 83

3 M fördjupning N Vad menas med ljudvallen? I rymden är det alldeles tyst. Ljudvågen behöver till exempel luft eller vattenför att kunna spridas. Ett jetplan står på startbanan och väntar på att starta. Jetmotorn dånar och ljudet sprider sig åt alla håll. Planet startar och flyger iväg. Ljudet sprider sig fortfarande i alla riktningar, även i den riktning som flygplanet flyger. Ljudets hastighet är ungefär km/h. När planet efter en stund når samma hastighet som ljudet säger vi att planet spränger ljudvallen. Tryckvågen som bildas när planet når ljudvallen gör att luften pressas ihop så att vattenångan kondenserar till en rund molnboll. Eftersom planet flyger fortare än ljudets hastighet så hinner planet ikapp sina egna ljudvågor som tidigare skickats ut. De nya ljudvågorna staplas då på de gamla ljudvågorna. När de staplade ljudvågorna når marken hör vi en kraftig smäll. Men piloten hör ingen smäll eftersom han flyger så snabbt att ljudet från smällen inte hinner ifatt honom. Ljud färdas snabbare i marken än i luft. Det är därför indianen kan lägga örat mot marken och höra bufflarna snabbare än vad han skulle gjort annars. Ljud kräver materia När vi spelar på en gitarr knuffar strängarna till de allra närmaste molekylerna i luften. De knuffar i sin tur till andra molekyler som befinner sig lite längre bort, och så vidare. Det uppkommer en kedjereaktion som vi kallar ljudvåg. Men varje molekyl rör sig bara en kort sträcka fram och tillbaka oavsett om ljudvågen färdas i luft, vatten eller något annat ämne. I vakuum finns inga molekyler som kan knuffa till varandra. Därför kan det inte bildas något ljud. På månen är det vakuum. Därför är det helt tyst på månen, även när det slår ner stora meteoriter på ytan. Hur fort färdas ljud? Ljudvågor breder ut sig i alla riktningar. Hastigheten i luft är ungefär 340 m/s. I vatten sprids ljud snabbare än i luft. Hastigheten är ungefär m/s. Även i marken färdas ljud snabbare än i luft. När indianerna i serier och på film lägger örat mot marken för att höra om fienden närmar sig gör de alltså helt rätt. Blixtar och åskmuller När åskan går så ser vi först blixten, sen hörs mullret. Det beror på att ljus och ljud har olika hastighet. Blixten färdas med den högsta hastighet vi känner till ljusets hastighet. Mullret däremot färdas med en mycket lägre hastighet ljudets hastighet. Ljushastigheten är km/s och ljudhastigheten i luft är bara 340 m/s. Ljuset ser vi nästan samtidigt som det blixtrar. Ljudet behöver däremot ungefär 3 s för att hinna 1 km. Det betyder att om det dröjer 3 s innan du hör mullret, så är åskan 1 km bort. Dröjer det 6 s, så är avståndet 2 km och så vidare. Du kan räkna ut hur långt bort ett åskväder är eftersom ljudet hinner ungefär 1 km på 3 s

4 De ljud vi människor kan höra ligger mellan Hz. Ju äldre vi blir, desto svårare får vi att höra ljud med höga frekvenser. Svängningstid och frekvens Ljud som vi människor kan höra För att vi ska höra ljud till exempel från en gitarr, krävs det att strängarna svänger tillräckligt snabbt. De måste svänga fram och tillbaka minst 20 gånger per sekund. Vi säger att frekvensen måste vara minst 20 hertz (Hz). Frekvens är alltså antalet svängningar per sekund och mäts i enheten hertz (Hz). De ljud vi människor kan höra ligger mellan Hz. Men speciellt den övre gränsen varierar kraftigt mellan olika människor. Ju äldre vi blir, desto svårare får vi att höra ljud med höga frekvenser. M fördjupning N Den tid det tar för till exempel en fiolsträng att göra en hel svängning det vill säga svänga fram och tillbaka kallas för svängningstid. Om svängningstiden är 0,01 s så betyder det att strängen hinner svänga fram och tillbaka 100 gånger per sekund. Frekvensen är då 100 Hz. Du kan räkna ut frekvensen genom att dividera 1 s med svängningstiden i sekunder. 1 frekvens = svängningstid Om vi kallar frekvensen för f och svängningstiden för T kan formeln skrivas så här: f = 1 eller T = T Exempel En sträng svänger med svängningstiden 0,005 s. Vilken frekvens har den ton som uppkommer? f = Exempel A-strängen på en gitarr svänger med frekvensen 440 hz. Vilken är svängningstiden? T = 1 0, Hz = SVAR: Frekvensen är 200 Hz. s 0,002 s Hz = 200 Hz SVAR: Svängningstiden är 0,002 s 1 f Infraljud Människans hörselomfång Ultraljud Duva Hund Fladdermus Frekvens Hz Ultraljud 5.8 Många djur kan höra ljud med betydligt högre frekvens än Hz. Hundar är ett exempel. Det finns speciella hundvisselpipor som har så hög frekvens att ingen människa hör ljudet. Men hundar hör visselpipan bra. Ljud med högre frekvens än Hz kallas för ultraljud. Inom sjukvården används ultraljud för att till exempel undersöka gravida kvinnor. Det är en metod som är lätt att använda när man vill se att fostret är friskt. Ultraljud kan även användas för att hjälpa folk med njursten. Stenarna krossas då med hjälp av ultraljud utan att några organ skadas. Infraljud Ljud med lägre frekvens än 20 Hz kallas infraljud. Infraljud kan till exempel skapas i flygplan, i ventilationssystem eller ur vulkaner och kraftiga vindar. Trots att vi inte kan höra ljud med så låga frekvenser, kan det påverka oss ändå. Vi kan till exempel drabbas av huvudvärk eller känna oss trötta. Det finns däremot en del djur, bland annat spindlar, elefanter och valar, som kan höra infraljud. Infraljud har inte så många användningsområden för oss människor. Men genom att mäta infraljudet som bildas vid underjordiska explosioner kan vi ta reda på vilka bergarter som finns i marken. Det gula området visar människans hörselomfång. Vi människor kan inte höra infraljud men elefanter kan det

5 Med hjälp av ekolod kan en båt få reda på avståndet till botten. Eko och ekolod Om du står en bit ifrån en bergvägg och ropar ditt namn, så märker du efter en stund att ljudet kommer tillbaka. Det beror på att ljudvågorna studsar mot bergväggen och att en del av ljudvågorna letar sig tillbaka till dina öron. Du hör ett eko. Med ett så kallat ekolod mäter man djup i sjöar och hav med hjälp av eko. Ekolodet sänder ut ultraljudsignaler som studsar mot botten. Ljudvågorna kan sedan fångas upp och ekolodet mäter hur lång tid det tar för ljudet att färdas till botten och tillbaka. Avståndet räknas ut genom att man multiplicerar ljudets hastighet i vatten (1500 m/s) med halva den uppmätta tiden. Ekolod används också för att hitta fiskstim i havet. Ljudvågorna studsar mot fiskstimmen. På så sätt får yrkesfiskarna reda på vilket djup fisken befinner sig på. Fladdermöss använder samma teknik som yrkesfiskarna för att hitta i mörker. De sänder ut ultraljud med frekvenserna Hz när de flyger. Genom att registrera hur ljudvågorna studsar kan fladdermössen få en bild av sin omgivning. På så sätt kan de flyga obehindrat i totalt mörker. Dopplereffekten M fördjupning N Nästa gång du står vid en väg och hör en brandbil med påslagna sirener närma sig kan du tänka på hur ljudet av sirenerna förändras när brandbilen kör förbi. Det låter som att ljudet får en lägre ton när brandbilen passerat dig. Varför blir det så? Tänk dig att en brandbil kör mot dig med påslagna sirener. De ljudvågor från sirenerna som når dina öron färdas i samma riktning som brandbilen. Ljudvågorna pressas samman. Det bildas då en ton med högre frekvens än vad sirenen egentligen har. När brandbilen passerat dig blir det tvärtom. Brandbilen åker då ifrån sirenens ljudvågor och ljudvågorna tänjs ut. När våglängden ökar bildas en ton med lägre frekvens än vad sirenen egentligen har. Fenomenet kallas för dopplereffekten och gör att ljud blir förvrängt om ljudkällan rör sig. I testa dig själv 5.1J 1 Hur uppkommer ljud? 2 Hur fort färdas ljud a) i luft b) på månen 3 Vad menas med frekvens? 4 Mellan vilka frekvenser ligger de ljud som våra öron kan uppfatta? 5 Vad menas med a) ultraljud b) infraljud 6 Ge exempel på hur vi i praktiska livet använder oss av ultraljud. 7 Vad menas med en ljudvåg? 8 Om du hör åskmullret 9 s efter att du sett blixten, hur långt bort är då åskvädret? Förklara hur du tänker. 9 Från en båt sänds en ljudvåg ut mot botten av en sjö. Efter 0,2 s har ljudvågen kommit tillbaka. Hur djup är sjön? 10 Vilken frekvens har den ton som uppkommer om svängningstiden är 0,005 s? Var är det enklast för oss människor att avgöra varifrån ett ljud kommer, på land eller i vatten? Förklara hur du tänker

6 toner och buller 5.2 Toner och buller Stark ton En stämgaffel har vanligen frekvensen 440 Hz och används till exempel för att stämma en fiol. Låg ton Ljud kan avbildas som vågor. En kort våglängd ger en hög ton. En lång våglängd ger en låg ton a Det är luftpelarens längd inuti trombonen som avgör vilken ton det blir. Ju längre luftpelaren är, desto lägre blir tonen. Låg ton Hög ton Hög ton 5.10 a Höga och låga toner Om du vill stämma en gitarr kan du använda en så kallad stämgaffel. Du slår då stämgaffeln lite lätt mot bordet och lyssnar på tonen. En stämgaffel har vanligen frekvensen 440 Hz. När du slår till stämgaffeln börjar skänklarna svänga fram och tillbaka med frekvensen 440 Hz. Du hör då en ton som har samma frekvens som stämgaffeln. En ton med frekvensen 440 Hz kallas normaltonen eller ettstrukna a. Det är femte strängen nerifrån på en gitarr som ska ha tonen a. På samma sätt har de olika strängarna inuti ett piano eller på en fiol bestämda frekvenser som ger olika toner. Tonens frekvens beror på strängens längd och tjocklek samt hur hårt spänd den är. En tunn, kort och hårt spänd sträng ger ljud med kort våglängd och hög frekvens höga toner. Höga toner kallas även för diskanttoner. Om däremot strängen är lång, tjock och löst spänd så uppkommer toner med lång våglängd och låg frekvens låga toner. Låga toner kallas även för bastoner. Låg ton Hög ton Blåsinstrument Inuti blåsinstrument skapas ljud genom att luft sätts i svängning. Några exempel på blåsinstrument är flöjt, trombon och kyrkorgel. Vi tittar lite närmare på hur en trombon fungerar. Tonens frekvens beror på hur lång luftpelaren är inuti trombonen. Genom att skjuta in dragbygeln på trombonen olika mycket varieras tonen. En kort luftpelare ger en hög ton, medan en lång luftpelare ger en låg ton. Låg ton Hög ton Till vardags blandar vi ofta ihop begreppen. När vi till exempel säger spela lägre menar vi egentligen spela svagare. Stark ton Starka och svaga toner Oavsett om du slår an en pianotangent hårt eller löst, så hörs alltid samma ton med samma frekvens. Däremot ändras ljudstyrkan hos en ton beroende på hur hårt du slår an tangenten. Slår du hårt, blir det en stark ton. Slår du löst, blir tonen svag. Till vardags blandar vi ofta ihop de här olika begreppen. Kanske har du någon gång blivit uppmanad av din lärare att tala högre. Vad läraren egentligen menar då är att du ska tala starkare. Resonans Om du slår en stämgaffel lätt mot en bordskant och håller upp den i luften så blir tonen ganska svag. Men om du sätter stämgaffeln mot bordsskivan så hörs ljudet mycket starkare. Det beror på att hela bordsskivan börjar svänga med samma frekvens som stämgaffeln. Bordsskivan hjälper då till att skapa ljudvågor i luften. Det här fenomenet kallas resonans eller medsvängning. Många musikinstrument har så kallade resonanslådor. En resonanslåda är till för att förstärka instrumentens ljud. Hos en vanlig akustisk gitarr är det den rundade gitarrkroppen som är resonanslåda. När du knäpper på en sträng så börjar gitarrkroppen och luften inuti att svänga med samma frekvens och tonen blir starkare. När det gäller el-instrument, till exempel elgitarrer och elbasar, har resonanslådan plockats bort och ersatts av förstärkare. De förstärker ljudet på elektrisk väg istället. Stark ton 5.10 b Svag ton Stark ton En stark och svag ton har lika lång 5.10 b våglängd men olika ljudstyrka. Svag ton Svag ton Gitarrkroppen är en så kallad resonanslåda. Lådan svänger med samma frekvens som strängen och ljudet blir starkare. Svag ton 90 91

7 1 Hz 32 Hz 64 Hz 125 Hz 1:a 2:a 3:e 4:e 5:e Vårt hörselområde är uppdelat i oktaver. På bilden ser du vilka oktaver de olika instrumenten spelar över. 250 Hz 500 Hz Hz Hz Hz Hz Hz trombon 6:e gitarr Det som är oväsen för en del kan vara ljuv musik för andra. De som ljud som är störande kallas buller. trumpet 7:e flöjt fiol 8:e piano 9:e 10:e Övertoner och oktaver Varför låter en och samma ton olika, när den spelas på piano jämfört med trumpet? Svaret är att varje instrument alltid ger ifrån sig ett antal så kallade övertoner tillsammans med grundtonen. Övertonerna, som även kallas för tilläggstoner, ger tillsammans med respektive grundton varje instrument sin speciella klang. Vi människor kan bara höra ljud inom ett visst frekvensområde, Hz. Området brukar delas in i mindre delar som kallas oktaver. Varje oktav innehåller åtta huvudtoner. Varje ton i en oktav har dubbelt så hög frekvens som motsvarande ton i den närmast lägre. Ett piano spelar nästan över samtliga oktaver, medan en trombon bara kan spela toner i 3:e, 4:e och 5:e. Buller är störande Var går gränsen mellan musik och störande oväsen? Den frågan går inte att svara på. Det som är oväsen för den ene kan vara ljuv musik för den andre. Men även oväsen är ljud. De ljud som är störande kallas buller. Det finns arbetsplatser där buller är ett stort problem. Därför utvecklas nya och bättre hörselskydd hela tiden. Även om det idag finns bra hörselskydd är höga ljudnivåer fortfarande ett problem för många. Med hjälp av bullermätare kan vi mäta vilken ljudnivå olika ljud ger. På så sätt kan vi upptäcka skadligt buller och undvika att få hörselskador. Ljudnivån mäts i decibel. En lastbil skapar en ljudnivå på cirka 90 db. Ljudnivå mäts i decibel Styrkan hos ett ljud kallas ljudnivå och mäts i enheten decibel (db). 10 db är knappt hörbart, medan 120 db är smärtsamt för öronen. En ökning med 10 db ger ett ljud som örat uppfattar som dubbelt så starkt. Om exempelvis bullret av en bil mäts till 100 db och en lastbils till 110 db, upplever människan ljudet från lastbilen som dubbelt så starkt. I örat finns ett skydd mot starka ljud. Men skyddet fungerar med någon tusendels sekunds fördröjning. Ju närmare örat är ljudkällan, desto sämre fungerar skyddet. Därför är det viktigt att inte lyssna på musik för starkt, när du använder hörlurar. I testa dig själv 5.2J 1 Vilken frekvens har normaltonen? 2 Hur ska en sträng vara för att den ska ge en så hög ton som möjligt? Ska den var lång eller kort, tunn eller tjock, hårt eller löst spänd? 3 I vilken enhet mäts ljudnivå? 4 Vad kallas en apparat som man mäter ljudnivå med? 5 När du slår till en stämgaffel lite lätt hör du en ton. Sedan sätter du stämgaffeln mot ett bord. a) Hur förändras då tonens frekvens? b) Hur förändras tonens styrka? c) Vad kallas fenomenet? 6 Att uppmana någon att tala högre är ett felaktigt sätt att uttrycka sig. Förklara varför. 7 Varför låter samma ton olika när den spelas på olika instrument? 8 Vilken frekvens har den ton som motsvarar normaltonen i den 3:e? 9 En dag uppmäts ljudnivån 50 db i ett klassrum. I matsalen uppmäts 80 db. Hur många gånger så starkt uppfattas ljudet i matsalen jämfört med i klassrummet? I England inträffade en gång en underlig olyckshändelse. En trupp soldater marscherade taktfast över en bro. Bron började svänga och efter ett tag rasade den samman. Kan du förklara varför? Kulspruta Jetplan Snälltåg Motorcykel Buss Högt påskruvad radio Gatubuller Normalt tal Svagt påskruvad radio Tyst gata Fågelkvitter Viskning 130 db 120 db 110 db 100 db 90 db 80 db 70 db 60 db 50 db 40 db 30 db 20 db 10 db 0 db 92 93

8 sammanfattning Vad är ljud? Ljud uppkommer genom att ett föremål, till exempel en sträng, svänger fram och tillbaka. En ljudvåg består av förtätningar och förtunningar. Avståndet mellan två förtätningar eller två förtunningar kallas våglängd. Ljudets hastighet i luft är 340 m/s. I vakuum finns det inga ljud. Det krävs nämligen materia för att ljudvågor ska kunna sprida sig. Med frekvens menas antalet svängningar per sekund. En hertz (1 Hz) är lika med en svängning per sekund. För att vi ska uppfatta svängningar som ett ljud måste frekvensen vara mellan 20 Hz och Hz. Ljud med högre frekvens än Hz kallas ultraljud. Ljud med lägre frekvens än 20 Hz kallas infraljud. Med ekolod kan man bestämma djupet i till exempel en sjö eller avståndet till ett fiskstim. Toner och buller Ett ljud med en bestämd frekvens kallas för en ton. En hög ton har hög frekvens och kallas diskantton. En låg ton har låg frekvens och kallas baston. Normaltonen har frekvensen 440 Hz. En sträng ger en hög ton om den är kort, tunn och hårt spänd. I blåsinstrument ger en kort luftpelare en hög ton och en lång luftpelare en låg ton. Samma ton (samma frekvens) kan ha olika ljudstyrka. Man säger att tonen är svag eller stark. Om tonen ändrar frekvens säger man att tonen blir lägre eller högre. En stämgaffel slås an. Om man sedan håller den mot ett bord, förstärks tonen. Det beror på att hela bordsskivan börjar svänga med samma frekvens som stämgaffeln. Fenomenet kallas resonans medsvängning. Med en bullermätare kan man mäta ljudnivå. Enheten är decibel. Ljud skapas av vibrationer. Ljudvåg. Ekolod. Elefanter kan höra infraljud. Ljudnivå mäts i decibel. 94

9 Spektrum FysikGrundbok FörfatareLennartUndvaloch AndersKarlson ISBN copyrightliberabochförfatarna