Lyd

Hvad er lyd?

Vi forstår normalt lyd som en bølgebevægelse, som breder sig i en gas. Det kan imidlertid også være bølgebevægelse i væsker og faste stoffer. I gasser og væsker breder lyden sig som en såkaldt longitudinalbølge, dvs. en bølge, hvor udbredelsesretningen er den samme som svingningsretningen Bølgen indeholder energi, som følger bølgen. I faste stoffer kan det enten være longitudinalbølger, som i gasser, eller transversalbølger som havbølger, hvor bølgesvingningen er vinkelret på udbredelsesretningen.

Vi beskæftiger os mest med lydbølger i gas.

Lyd breder sig normalt kugleformigt ud fra lydkilden, og i fri luft aftager energien altså med kvadratet på afstanden. Ved forhindringer gælder de normale regler for bølger (bøjning og interferens), dvs. at de bølger, som er meget korte i forhold til forhindringens størrelse, bliver stoppet af hindringen, og der bliver derfor et 'lydskyggeområde' bag hindringen. Er hindringen lille i forhold til lydbølgelængden bøjes bølgerne om hindringen, og der bliver ikke et område, hvor lyden ikke høres.

Dette er grunden til, at man hjemme i stereoanlægget kan nøjes med én bashøjtaler ved musikgengivelse, fordi de dybe toner ikke indeholder meget retningsinformation, hvorimod høje toner skal komme fra hver sin højttaler. I små rum kan rummet begrænse den nedre grænse for musikgengivelsen, fordi tonernes bølgelængde kan være meget større end rummets største udstrækning, hvorfor tonen stort set fjernes ved interferens.

Hvordan lydbølger forplanter sig

Vi tænker os, at der er en lydgiver langt ude til højre. Det kan være en svingende streng eller en højttalermembran. Vi forudsætter, at den udsendte lyd er en ren tone med konstant styrke. På figuren nedenfor viser vi et regelmæssigt net af 144 luftpartikler, og vi vil beskrive, hvordan disse luftpartikler bevæger sig, efter at lyden er nået frem til dem.

Løst sagt forplanter lyden sig på den måde, at den svingende lydgiver sætter naboluftpartiklerne i svingning med samme frekvens, dvs. antal svingninger pr. sek. Disse trykker så igen på deres naboer, og sådan fortsætter det, så lyden forplanter sig. På videoen nedenfor viser vi, hvordan vores 144 partikler bevæger sig. Læg mærke til, at hver enkelt partikel bevæger sig sådan, altså på videoen ikke mere end ca. 1 cm frem og tilbage. Jo større udsving der er, jo større er lydstyrken. Svarende til vandbølgernes bølgetop og bølgedal har vi her områder i rummet, hvor der er overtryk og undertryk, og det er disse områder, der bevæger sig mod venstre, sådan som det er vist med sorte pile på videoen nedenfor. Vi bruger udtrykket bølgetop, også når der er tale om overtryk eller undertryk eller noget helt tredie. Partikler på samme lodrette linie er i fase. I virkeligheden er der et lodret plant område vinkelret på skærmens plan med partikler i denne fase. En sådan plan kaldes en bølgefront.

Lydens hastighed

I luft breder lydbølgen sig med en fart på v = 343 m/s ved 20˚C. Ved højere temperaturer breder lyden sig hurtigere, i gasser med store molekylmasser f.eks. kuldioxid, langsomt. Kalder man bølgelængden af en lydbølge dvs. afstanden fra bølgetop til bølgetop, for λ (måles i meter) og frekvensen for f Hz (måles i Hertz eller svingninger pr. sek.), gælder denne sammenhængen mellem v, λ og f:

v=λ⋅f

Høje toner har en høj frekvens. Det menneskelige øre kan høre frekvenser fra 20 Hz til 20 kHz, idet høreskader (for høj musik f.eks.) og alder efterhånden sænker den øvre grænse ganske væsentligt. Tonen, altså lydens frekvens, influerer ikke på lydens hastighed. Når frekvensen stiger falder bølgerlængden, men hastigheden forbliver den samme.

Nedenunder graferne markerer små lodrette streger bugene (maksimal trykvariation / minimal hastigheds- variation), mens dobbeltpilene markerer knuderne (minimal trykvariation / maksimal hastighedsvaria- tion). Det ses, at afstanden mellem knuderne er en halv bølgelængde.

Tænker man sig nu barrieren i venstre ende flyttet en halv bølgelængde til højre, vil den igen udgøre et knudepunkt. Det vil ikke ændre noget på resonansen i den resterende del af røret. Barrieren kan faktisk flyttes helt hen til det sidste knudepunkt, hvor der kun er en kvart bølgelængde tilbage af røret – og der vil stadigvæk være resonans.

Resonans

En vibration kan ikke altid høres, hvis ikke den resonerer; dvs. forstærkes. Prøv bare at spænde en snor ud mellem to små klodser eller sten, og spænd den hårdt. Ligegyldigt hvor hårdt snoren spændes, vil den ikke klinge nær så godt, som hvis den bliver forbundet med et resonansrum - f.eks. en hul kasse eller en tom dåse. Resonansrum skal helst forstærke netop de frekvenser, som danner stående bølger. Derfor er det ikke helt ligegyldigt, hvor stort det er. Formen i en guitar og violin er lavet sådan, at den kan forstærke og forme instrumentets toner bedst muligt.

En stemmegaffel svinger ved en "naturlig frekvens" også kaldet "egenfrekvensen".

Hvis stemmegaflen påvirkes af en ydre, vibrerende kraft, der svinger med samme frekvens som stemmegaflens egenfrekvens, vil stemmegaflen begynde at svinge ganske meget, Man siger, at kraften er "resonant med egensvingningen".

Dette kan for eksempel vise ved at montere to identiske stemmegafler ved siden af hinanden. Hvis den ene anslåes, vil den anden også begynde at vibrere. Man kan for eksempel vente lidt tid, og så helt stoppe den første stemmegaffel - nu kan man høre lyden fra den anden.

Resonans i en halvåben luftsøjle

Med et ”halvåbent” rør menes, at der er en fast barriere i den ene ende af røret, mens luften frit kan passere ud og ind ad den anden ende. Når lyden rammer den faste barriere, reflekteres den. Den reflekterede og den oprindelige bølge danner en såkaldt stående bølge. En stående bølge er kendettegnet ved, at der i bestemte punkter (knuder) er minimal variation af lydtrykket, mens der i andre punkter (buge) er maksimal variation.

Lidt overraskende reflekteres en del af lyden også ved den åbne ende, så lyden reflekteres frem og tilbage flere gange. Hvis den to (og fire, seks, osv.) gange reflekterede lydbølge svinger i takt (i fase) med den oprindelige, forstærkes de stående bølger – dette fænomen kaldes resonans.

Resonans kan kun forekomme, når bølgelængden og rørets længde ”passer sammen” – vi vil nedenfor opstille den præcise betingelse.

Den tykke stiplede blå kurve viser trykfordelingen i røret i dette øjeblik, mens den tykke sorte kurve viser hastighedsfordelingen.

En halv svingningstid senere er det de tynde kurver, der gælder – tilsvarende må man forestille sig, at molekylerne nu ligger tæt dér, hvor der før var langt imellem dem (og omvendt).

Bemærk, hvordan graferne for tryk og hastighed er forskudt en kvart bølgelængde for hinanden.

Dopplereffekten

Hvad er dopplereffekten?

Du har med sikkerhed stået udenfor og lyttet, mens en ambulance drønede forbi med fuld udrykning. Du bemærkede måske noget sjovt om den måde hvorpå sirenen lød. Da ambulancen kom i mod dig, havde dens sirene en vis høj tone; men som den passerede dig, faldt denne tone. Hvis du havde haft lukket øjnene mens du lyttede, ville du ikke have haft problemer med at vide, hvornår ambulancen havde passeret dig. Du behøver ikke engang bruge en ambulance for at høre denne effekt. Lyden af normal trafik, opfører sig på samme måde. Som en bil kører forbi, falder tonen på den lyd bilen laver, pludseligt.

Stigningen af tonen i en lyd, bestemmes af bølgelængden, eller ækvivalent, af frekvensen af lydbølgen. Hvad du opfatter som en højere tone, svarer til lydbølger med højere frekvenser og lavere bølgelængder. Lyde, som du opfatter som en lavere tone, er bølger med lavere frekvenser og længere bølgelængder. Når et objekt bevæger sig mod dig, ”klumper” bølgerne det afgiver, sig sammen foran objektet. Figuren ved siden af viser placeringen af på hinanden følgende bølgetoppe, der afgives af et objekt i bevægelse. Hvis du står foran et objekt, som det bevæger sig i mod dig, har bølgerne der når dig en kortere bølgelængde og dermed højere frekvens, end bølgerne der afgives af objektet når det ikke er i bevægelse. I tilfældet med lydbølger, har den lyd der når dig fra objektet, en højere tone, end lyde der afgives af objektet hvis det stod stille. Omvendt er det, hvis et objekt bevæger sig væk fra dig, så er bølgerne der når dig spredt ud. I tilfældet med lyd betyder det, at tonen bliver lavere, præcis som med din erfaring med ambulancen. Dette fænomen omtales som Dopplereffekten, opkaldt efter fysikeren Christian Doppler (1803 – 1853).

Lydbølgers interferens

Når to eller flere lydbølger mødes påvirker de hinanden. Bølgerne preller ikke af hver, men de bevæger sig gennem hinanden. Den resulterende bølge afhænger af, hvordan bølgerne retter sig.

Når de to lydbølger er i fase, bliver amplituden større (konstruktiv interferens), og når de to lydbølger er i modfase, bliver amplituden mindre (destruktiv interferens).

Lig mærke til at jo længere der er imellem lydkilderne desto flere destruktive interferensstriber opstår der. Er afstanden mellem højtalerne en bølgelængde, vil der være to destruktive interferensstriber. Er den do bølgelængder vil der være fire osv.

Det er faktisk destruktiv interferens man bruger i noice cancelling.

Yderst på dine ANC høretelefoner, sidder der en mikrofon som opfange lyde omkring dig. Denne mikrofon sender disse oplysninger videre til ANC teknologien inde i dine høretelefoner. ANC funktionen vil nu regulere et “anti signal” (en lydbølge i modfase) afhængigt af lydene omkring dig. Denne “anti-lyd” bliver nu viklet sammen med lyden fra dine afspillede medier, og balancere sig. Dette resultere i en “ren” lyd, hvor lydene omkring dig bliver balanceret til så høj en grad, at de næsten er helt lydløse for dig når du bruger dine ANC høretelefoner.