Geta útskýrt hljóð með vísun til bylgjueiginleika og með vísun til frumeinda-kenningarinnar

Hljóð

Einkenni bylgna

• Orka berst með allskonar mismunandi bylgjum, t.d. útvarpsbylgjum, hljóðbylgjum, ljósbylgjum o.fl.
• Sömu þættir, það er að segja sveifluvídd, lögun, bylgjulengd og tíðni, einkenna allar bylgjur og skiptir þá engu hvers eðlis þær eru. Sjá mynd 4-8 bls 92.
• Hljóðbylgjur eru ýmist mildar eða kröftugar, fjarlægð milli bylgna er mismikil og loks er mynstur bylgnanna ýmist reglulegt eða óreglulegt

Þverbylgjur vs. langsbylgjur

Það eru til tvenns konar bylgjur; þverbylgjur og langsbylgjur. Hljóðbylgjur eru langsbylgjur!

Sjá nánar: [2]

Sveifluvídd

• Þegar hljóðbylgja berst um efni taka sameindir efnisins að sveiflast.
• Sameindirnar sveiflast fram og til baka um jafnvægisstöðu sína.
• Mesta fjarlægð eða útslag sameinda frá jafnvægisstöðunni kallast sveifluvídd bylgjunnar.
• Sveifluvídd bylgju segir til um hversu mikil orka er notuð til þess að mynda hljóðið og þ.m. hversu hávært það er.

Lögun bylgna

• Nokkur af grunneinkennum bylgju eru sveifluvídd, bylgjulengd, öldudal og öldutoppur.
• Bylgja er í jafnvægisstöðu þegar hún er í beinni línu.
• Öldutoppur er hæsti punktur í útslagi hverrar sveiflu, öldudalur er sá lægsti.
• Fjarlægðin frá jafnvægisstöðu til öldutopps, eða frá jafnvægisstöðu til öldudals er mesta útslag bylgjunnar.
• Útslagið kallast sveifluvídd eða sveifluhæð bylgju.
• Í hljóðbylgju er öldutoppur þegar þéttleiki sameindanna er mestur, en öldudalur þegar þéttleiki er minnstur.
• Skoða mynd 4-8

Bylgjulengd

• Hafi bylgja ákveðið útslag hefur hún líka ákveðna lengd
• Bylgjulengd er fjarlægðin milli tveggja aðlægra öldutoppa í bylgju, eða fjarlægðin milli tveggja aðlægra öldudala.
• Reyndar er hægt að mæla bylgjulengd frá hvaða punkti sem er í bylgju ef maður gætir þess að mæla að sama punkti í næstu bylgju.
• Skoða mynd 4-8

Tíðni

• Tíðni bylgjuhreyfingar ræðst af því hversu margar heilar sveiflur eru á tiltekinni tímeiningu.
• Hver bylgja hefur einn öldutopp og því hægt að segja að tíðnin sé sá fjöldi öldutoppa sem fara hjá á hverri tímaeiningu. Eins er hægt að telja öldudali. Skoða mynd 4-9
• Það má líka líta á tíðni sem fjölda þéttinga og þynninga á tímaeiningu.
• Ef 100 reglulegar umferðir þéttinga og þynninga berast gegnum bylgjubera á einni sekúndu er tíðni hlóðbylgjunnar táknuð sem 100 sveiflur á sekúndu.
• Einingin herts eða rið, táknuð Hz, er oft notuð um tíðni. Eitt herts jafngildir einni sveiflu eða umferð á sekúndu.

Krossapróf

Hvernig bylgjur eru hljóðbylgur?

	Þverbylgjur
	Langsbylgjur
	Sjóbylgjur
	Ljósbylgjur

Hljóðbylgjur

• Hljóð byggist á hreyfingu og sameindum.
• Hljóð er orkumynd sem kemur sameindum á hreyfingu.
• Hreyfing sameindanna, og það hvernig þær miðla orku sinni, er eins þótt mismunandi hljóð eigi í hlut.

Sveiflur í efni

• Hljóð stafar af sveiflum sameinda í efninu. Þegar hljóð myndast er í öllum tilvikum um sveiflu sameinda að ræða.
• Efni sem flytur hljóð kallast hljóðberi.
• Lofttegundir, vökvar og föst efni eru úr sameindurm, þau eru dæmi um hljóðbera.

YouTube: Mythbusters: RUBENS TUBE (Fire Sound Wave) Þetta myndbandsýnir Rubens Tube. Þá er búið að láta gas inn í lokað rör og kveikt í. Hátalari er tengdur við rörið þ.a. hljóðbylgjurnar fara inn í það. Hljóðbylgjurnar hafa áhrif á hversu mikið gas kemst út um hvert gat og hefur áhrif á stærð eldins. Þannig er hægt að skoða hvernig lengd hljóðbylgnanna minnkar og stækkar eftir tíðni.

[3]

Að búa til bylgjur

• Hljóð berst frá einum stað til annars sem bylgjur, en efnið færist þó ekki úr stað.

Dæmi:

• Öldur í sjó. Þær færast eins og bylgjur frá einum stað til annars, þó að bylgjan færist hreyfist sjórinn aðeins upp og niður án þess að færast nær eða fjær landi.
• Bank á vegg. Hljóðið berst með sameindum í gegnum vegginn til þín án þess að veggurinn færist.
• Þegar klappar saman lófunum myndast þétting fyrir utan lófana, þétting er þegar sameindir eru mjög þétt saman í loftinu, þéttingin færist út í bylgju og þá myndast þynning, þynning er þegar sameindir eru langt hver frá annarri í lofti, á bak við þar sem þéttingin var.

Dæmi:

• Ef maður kastar steini í vatn, þá myndast gárur í vatninu sem færast út og fjara út á endanum. Þetta er í raun eins og ef þú klappar saman lófunum. Þú getur ímyndað þér að bylgjurnar sem berast frá hljóðinu séu gárurnar í vatninu.
• Sameindir þéttast og þynnast og ýta þannig bylgjunni áfram
• Skoðið mynd 4-4- bls 88.

Besti hljóðberinn

• Fast efni leiðir hljóð best (hraðast), því sameindirnar í föstum efnum eru þéttastar og þess vegna berast sveiflurnar vel.
• Sem dæmi má nefna að í villta vestrinu lögðu útlagarnir eyrað á jörðina til að heyra sem best hófatakið frá hestum lögreglusveitarinnar.
• Fjaðrandi efni eru bestu hljóðleiðararnir, fjaðrandi efni eru þau föstu efni sem eru fljót að taka aftur á sig sína fyrri lögun ef þau aflagast.
• Hljóð þarf á efni (sameindum) að halda til að geta borist áfram.

Dæmi:

• Ekki er hægt að tala saman á tunglinu. Það er af því að ekkert loft er þar, og því engar sameindir.

Hraði hljóðsins

• Hljóð berst með um 340 m hraða á sekúndu í lofti.
• Hraði ljóss er nærri milljónfaldur hljóðhraðinn.
• Hljóð berst hraðar í heitu lofti en köldu.

Dæmi:

• Ef þú sérð flugelda springa (ljósið) dálitla vegalengd frá þér, líður smá tími áður en þú heyrir sprenginguna (hljóðið). Það er af því að hljóð berst hægar en ljós.
• Hljóð berst hraðar í heitu lofti en köldu.

Þegar flugvélar fara hraðar en hljóðið (hraðar en 340 m á sekúndu) er talað um að þær brjóti hljóðmúrinn:

U.S. Navy F/A-18 að brjóta hljóðmúrinn. [1]

Þegar flugvélar fljúga undir hljóðhraða breiðast út frá þeim hljóðbylgjur, en ef þotur fljúga yfir hljóðhraða breiðast öldurnar út fyrir aftan þær og bylgjustafnar þeirra mynda höggbylgju sem ferðast með flugvélinni á sama hraða og hún. Höggbylgjan myndar keilu þar sem flugvélin er í topppunkti. Horn keilunnar verður minna eftir því sem þotan flýgur hraðar.

Við heyrum háværan hvell þegar höggbylgjan berst hljóðhimnum okkar (hávaðinn stafar af höggbylgju samþjappaðs lofts). Hann varir aðeins örskamma stund, enda ferðast höggbylgjan út á við á sama hraða og hljóðið. Hávaðinn getur verið mjög mikill, fyrir stórar þotur nær hljóðhöggið sársaukamörkum (120 dB), jafnvel úr 20 km fjarlægð.

YouTube: HIGH QUALITY F-14 Airshow clips 5 - Flugvél brýtur hljóðmúrinn

YouTube: Sonic Boom - Útskýring á því af hverju hvítt ský myndast þegar flugvél brýtur hljóðmúrinn. Einnig fjallað um eldingar og þrumur.

Fyrsti bíllinn til að rjúfa hljóðmúrinn nefnist ThrustSSC, en SSC stendur fyrir supersonic car eða hljóðfráan bíl. Nafnið vísar til þess að bíllinn nær hljóðhraða. Bíllinn er knúinn tveimur þotuhreyflum og er mjög straumlínulagaður. Hann rauf hljóðmúrinn árið 1997. Sjá mynd:

ThrustSSC til sýnis í Coventry

Teymið með Thrust SSC

[4]

Eiginleikar hljóðs

Tónhæð

• Sérhver nóta hefur sína eigin tónhæð (do re mi fa so la ti do)
• Tónhæð hvers hljóðs er mælikvarði á hversu skær eða djúpur viðkomandi tónn er.
• Tónhæð ræðst af því hversu hratt hlutur titrar
• Tónhæð hljóðs er háð tíðni hljóðbylgjunnar.
• Mannseyrað greinir hljóð á tíðnibilinu frá um 20 herts og upp í um 20.000 herts. Hundar heyra hljóð sem er hærra en 20.000 herts.
• Hljóð með tíðni yfir 20.000 hertsum kallast úthljóð.
• Dopplerhrif : breyting á tíðni og tónhæð hljóðs. Þau stafa af þeirri staðreynd að hljóðgjafinn sem nálgast framkallar þéttingar og þynningar frá stöðum sem koma æ nær þér.
• Ratsjá: hraðamæling byggð á dopplerhrifum. Ratsjáin sendir stöðugan bylgjustraum sem sveiflast með þekktri tíðni. Ef bylgjurnar lenda á kyrrstæðum hlut endurkastast þær til baka með sömu tíðni. Ef hlututinn er á ferð í átt að ratsjánni endurkastast bylgjurnar með hærri tíðni. Því meiri hraða sem hluturinn er á því mun meira hækkar tíðni bylgnanna. Munur á tíðni bylgnanna segir til um hraða hlutarins..

[5]

Hljóðstyrkur

• Ef mikil orka er notuð til þess að mynda hljóð er hljóðið hátt, hljóðstyrkur mikill.
• Hljóðstyrkur ákvarðast að því hversu mikil orka er notuð til þess að framleiða það
• Hljóðstyrkur er háður sveifluvídd hljóðbylgjunnar.
• Orkuríkar hljóðbylgjur hafa meiri sveifluvídd en orkulitlar.
• Hljóðstyrkur er mældur í einingunni desíbel.
• Hljóð sem er á mörkum þess að heyrast hefur hljóðstyrkinn 0 desíbel.
• Þrumugnýr hefur allt að 120 desíbel.

Víxlverkun bylgna

Herma

• Hlutir hafa tiltekna eigin sveiflutíðni, eigintíðni.
• Stundum gerist það að hlutur sem sveiflast með eigintíðni sinni kemur öðrum nálægum hlut til þess að sveiflast, en því aðeins ef eigintíoðni hans sé sú sama.
• Þetta kallast að herma.
• Dæmi: titringur í rúðu, kling í glervasa, píanóstrengur, bíll í lausagangi o.fl..
• Hermi notað þegar við hlustum á útvarp, hver útvarpsstöð með sína tíðni.

Tónlistarflutningur

• Tónhæð hljóðs er háð tíðni sveiflunnar.
• Dæmi gítarstengur: því styttri sem strengurinn er þeim mun tíðar sveiflast hann og þeim mun meiri er tónhæðin. Því strekktari sem strengurinn er þeim mun hærri er tíðni hans og tónhæð.

Tónblær

• Hljóðfæri hafa mismunandi tónblæ eða hljómblæ.
• Flestir hlutir sem gefa frá sér hljóð mynda sveiflur af fleiri af fleiri en einni tíðni. Hvert tíðnigildi skapar hljóð með tiltekinni tónhæð og þegar öll þessi tíðnigildi koma saman skapast hinn sérstæði tónblær.
• Grunntónn myndast þegar allur strengurinn sveiflast í heild sinni og er dýpsti tónn sem strengurinn getur myndað.
• Raunveruleg sveifla í streng er flóknari en þetta og gefur frá sér tóna með hærri tíðni sem kallast yfirtónar.

Samliðun hljóðbylgna

• Styrkjandi samliðun: ef bylgjur rekast þannig saman að þétting einnar hittir á þéttingu annarrar kemur fram það sem kallað er styrkjandi samliðun. (mynd 4-18 bls 102)
• Eyðandi samliðun: ef bylgjur koma þannig hver ofan í aðra að þétting einnar hitti á þynningu annarrar kemur fram það sem kallað er eyðandi samliðun. (mynd 4-18)

Tónlist eða hávaði?

• Tónlist hefur jafnan geðþekkan tónblæ og ákveðna tónhæð með tilteknum auðkennum.

Á þessu eru spennandi undantekningar sem flokkast þó sem sérlega áhrifamikil tónlist!

Hávaðamengun

• Mikill umferðarhávaði, hávær tónlist á tónleikum, hávaði frá flugvöllum og margvíslegt annað.

Verkleg æfing

Viðfangsefni Mynda hljóð og greina doppleráhrif.

Efni og áhöld

• Blaðra.
• Ró.
• Peningur.
• Ástralskur hrossabrestur.

Varúð! Notaðu hrossabrestinn varlega. í hæfilegri fjarlægð frá fólki og gluggum.

Framkvæmd

1. Haltu um lausa enda bandsins i hrossabrestinum og snúðu honum í hringi yfir höfði þér svo hratt sem þú getur. Vertu þolinmódur, stundum líða nokkrar sekúndur áður en drunurnar heyrast. Taktu eftir hljóðunu sem myndast.
2. Settu peninginn ofan í blöðrunna. Blástu blöðruna upp og snúðu henni í hringi.
3. Settu róna ofan í blöðrunna. blástu blöðruna upp og snúðu henni í hringi.

Spurningar

1. Hvað gerist þegar hrossabresturinn fer í hringi?
2. Hvað gerist þegar peningurinn fer í hringi?
3. Hvað gerist þegar róin fer í hringi?

Steve Spangler - The Spinning Penny

Heimildir

Orka - 4. kafli. 1998. Námsgagnastofnun. Reykjavík.