Lyd - teori - MAT-FYS |Forsidemat-fys.dk/onewebmedia/Lyd_teori.pdf · TEORETISKE MÅL FOR EMNET: • Redegøre for forskellen på tværbølger og længdebølger samt vide, hvilken

TEORETISKE MÅL FOR EMNET:

• Redegøre for forskellen på tværbølger og længdebølger samt vide, hvilken type bølger,

lyd er

• Redegøre for amplitude, frekvens og bølgelængde og hvilken betydning disse begreber

har i forhold til lyd og toner

• Kende lydens bølgeegenskaber (interferens, bøje om hjørner, gå igennem)

• Kende begreberne refleksion, brydning og interferens samt vide, hvad disse betyder

• Kunne redegøre for højttalerens virkemåde

• Kunne redegøre for telefonens virkemåde

• Kende grænserne for menneskets hørelse

• Redegøre for ørets opbygning

• Forklare begrebet resonans, herunder stående bølger

PRAKTISKE MÅL FOR EMNET:

• Kunne vise de 3 bølgeegenskaber for lyd

• Demonstrere, hvordan lyd kan frembringes i/af forskellige materialer

• Kunne bygge en simpel højttaler og forklare, hvordan denne virker

• Vise hvad resonans og stående lydbølger er

• Vise, hvordan stående lydbølger kan bruges til at bestemme lydbølgens bølgelængde

Du skal vælge nogle få forsøg ud, der så vidt muligt, dækker alle de praktiske mål

Teori

10. KlasseCenter Vesthimmerland © Gritt Rosenkilde Steffensen

Indholdsfortegnelse ØRETS ANATOMI______________________________________________________________________________ 1 FAKTA OM DANSKERNES HØRELSE______________________________________________________________ 1 HØRENEDSÆTTELSE____________________________________________________________________________ 2 TINNITUS _____________________________________________________________________________________ 2 HVAD ER BØLGER?____________________________________________________________________________ 2 BØLGER OMKRING OS ________________________________________________________________________ 3 HVAD ER LYD? ________________________________________________________________________________ 3 LYDSTYRKE ___________________________________________________________________________________ 4 LYDENS FREKVENS - TONEHØJDE _______________________________________________________________ 4 HASTIGHED___________________________________________________________________________________ 5 DOPPLER-EFFEKTEN____________________________________________________________________________ 6 CHOKBØLGER ________________________________________________________________________________ 6 REFLEKSION OG AKUSTIK ______________________________________________________________________ 7 ULTRALYD ____________________________________________________________________________________ 8 EGENFREKVENS OG RESONANS ________________________________________________________________ 8 TACOMA-BROEN _____________________________________________________________________________ 9 STÅENDE BØLGER _____________________________________________________________________________ 9

Teori


side 1

Ørets anatomi Det yderste af øret, det du kan se med det blotte øje, fungerer som en tragt, der opfanger lyden og sender den ind i øregangen. Lyden rammer trommehinden, der kan bevæge sig lige som et trommeskind.

På bagsiden af trommehinden sidder en lille knogle, hammeren, som kan bevæge sig. Ved at bevæge sig i takt med lyden sender den signalet videre via to andre små knogler, ambolten og stigbøjlen, ind i sneglen, hvor tusindvis af små fimrehår indvendigt opfanger bevægelsen. Når de små hår bevæger sig, sender de et signal til hjernen via hørenerven. Det er dette signal, du opfatter som lyd. Som du kan se på illustrationen til venstre, har fimrehårene forskellig længde. Fimrehårene i én længde modtager lydsignaler inden for ét frekvens-interval; fimrehårene i en anden længde, registrerer lydsignaler inden for et andet frekvens-interval.

Fimrehår Ødelagte fimrehår

Fakta om danskernes hørelse Kilde: Socialforsknings Instituttet ______________________________________________________ Op mod 800.000 danskere har høre- og lydproblemer. De fleste af disse har god støtte af tekst på TV og anden visuel information. Svenske tal viser, at over halvdelen er under 65 år - altså i den erhvervsaktive alder. Ca. 300.000 har et høreapparat og har brug for teleslynger og andre hjælpemidler. Ca. 50.000 er svært hørehæmmede - og har problemer med deres hørehandicap i forhold til at holde fast på et job. Ca. 8.000 er døvblevne eller har næsten ingen hørelse tilbage og har brug for teksttelefon og tolkeservice. Heraf er ca. 800 personer på arbejdsmarkedet. Og tallene vokser: En finsk undersøgelse viser, at antallet af mennesker med høreproblemer vil fordobles over de næste 15-20 år. Kilde: http://www.stoj.dk/hvaderstoj/oret.htm

Teori


side 2

Hørenedsættelse Den mest kendte form for behandling af hørenedsættelse er et almindeligt høreapparat. Et høreapparat består af en mikrofon, en forstærker, en højtaler og et batteri og er altså faktisk et lydanlæg i mini-udgave. Det kan i de allerfleste tilfælde afhjælpe hørenedsættelse. Kun hvis det er total døvhed det drejer sig om, må høreapparatet give op. Et høreapparat gør nemlig ikke selve hørelsen bedre, men forstærker bare den lyd der kommer ind. Hørenedsættelse kan variere meget fra person til person. Nogle kan ikke høre de dybe frekvenser, andre kan ikke høre de høje og nogle helt andre kan ikke høre dem i midten, selvom det dog er mest almindeligt ikke at kunne høre de dybe toner. Derfor tilpasses høreapparaterne den enkeltes behov, og i dag findes der oven i købet høreapparater med programmerede indstillinger til forskellige situationer, så det forstærker på én måde, når man går tur i skoven, og en anden når man er i byen. Teknologien inden for høreapparater har udviklet sig meget kraftigt. De første høreapparater var omtrent ligeså store som en pakke cigaretter, og blev båret i brystlommen. I dag findes der høreapparater der sættes ind i øret ligesom en øreprop, og der er endda også lavet forsøg med at indoperere apparaterne i øret, så det overhovedet ikke kan ses.

Tinnitus En af de af de høreskader der er blevet mere udbredt i løbet af de seneste år er tinnitus. Når man har tinnitus hører man en lyd, en tone eller en susen hele tiden. Sygdommen kan, ligesom hørenedsættelse, variere fra den uudholdelige tuden til en ganske let susen for ørene. Årsagen til tinnitus er som oftest, ligesom ved hørenedsættelse, at øret har været udsat for usædvanlig kraftig støj, så nogle af fimrehårene i det indre øre har lagt sig ned permanent eller simpelthen er knækket af. I modsætning til ved hørenedsættelse, hvor fimrehårene simpelthen holder op med at virke, sender fimrehårene ved tinnitus hele tiden besked til hjernen om at der kommer lyd, selvom det ikke er tilfældet. Der vokser IKKE nye fimrehår ud, og det er på nuværende tidspunkt ikke muligt at transplantere fimrehår, da de er meget små. Så har man først fået tinnitus kan det IKKE helbredes. Måske har du oplevet at være til koncert, fest eller været udsat for så kraftig støjpåvirkning at du har haft en hyletone i øret inden du gik i seng, hvorefter det har været væk den næste dag. Det skyldes at fimrehårene kan rejse sig igen, hvis støjpåvirkningen kun har været i kortere tid. Det betyder dog ikke at man sagtens kan stå lige foran højtaleren når det kun er i fem minutter, for der er forskel på styrken af menneskers fimrehår. Det er derfor ikke ved alle at hårene rejser sig igen. Andre årsager til tinnitus kan være forhøjet blodtryk som følge af stress, mellemørebetændelse, sukkersyge og nyresygdomme.

Hvad er bølger? En bølge kan forklares som en forstyrrelse, der udbreder sig i tiden. Kaster man f.eks. en sten i en stille sø, breder bølger sig ud fra det sted, stenen faldt. De enkelte vandmolekyler følger ikke med bølgen, de bevæger sig bare op og ned i forhold til deres oprindelige stilling. Vi knytter bølgebegrebet til forskellige fænomener: · Vandbølger · Lydbølger · Jordskælvs-bølger · Bølger på en fjeder

· Korn, der bølger · Lysbølger (elektromagnetiske bølger) · Radiobølger (elektromagnetiske bølger)

Én slags bølger skiller sig ud fra de øvrige, nemlig elektromagnetiske bølger. De kan udbrede sig i det tomme rum - ja, det går endda bedre her end i stof. Lys går fx bedre og hurtigere gennem vakuum end gennem glas. Bølger, der kun udbreder sig i stof, kaldes samlet for mekaniske bølger eller trykbølger.

Teori


side 3

Bølger omkring os Vi er konstant omgivet af energi, der udbreder sig som bølger. Her er nogle eksempler på bølgeudbredelse og bølgelængder, der knytter sig dertil. Bølgelængderne er ikke nøjagtige angivelser, men tal, der skal give en fornemmelse af bølgelængderne. Med undtagelse af lyd, er der tale om elektromagnetisk stråling, og afgrænsningen mellem de forskellige typer er ikke helt så præcis, som det ser ud.

Lyd: Bølgelængde: 20 m - 1,7 cm (menneskers høreområde)

Radiobølger: Bølgelængde: 2 km - 30 cm

Mikrobølger: Bølgelængde: 1 mm - 30 cm

Infrarød stråling: Bølgelængde: 1 mm - 1/1000 mm

Synligt lys: Bølgelængde: 750 nm - 400 nm (1nm = 1/1.000.000 mm)

Ultraviolet lys: Bølgelængde: 400 nm - 15 nm

Røntgen stråling: Bølgelængde: 15 nm - 1 pm (1 pm = 1/1000 nm eller 1/1.000.000.000 mm)

Gammastråling: Bølgelængde: under 1 pm

Hvad er lyd? Der er lyde omkring os hele tiden. I skolen, på arbejdet, i trafikken, i skoven osv. De fleste ting fremkalder en lyd hvis man slår på dem, og hver ting har sin egen lyd. Vi laver lyde både når vi taler, når vi spiser og når vi sover. Lyd består af lydbølger. En lydbølge er en bølge af et stof, der vibrerer på en bestemt måde. Den ting der laver lyden sætter nogle vibrationer i gang, i det øjeblik lyden laves. Vibrationerne i luften, vandet, eller hvilket stof vi nu hører lyden igennem, opfanges af øret, og vi hører en lyd! Når man taler om lyd, er der tre vigtige begreber. Styrke, hastighed og frekvens. Styrken giver vel nærmest sig selv. Vi ved alle sammen hvad der sker når man skruer op for radioen eller fjernsynet. Lyden bliver kraftigere. På illustrationen nedenfor kan du se, hvordan en stemmegaffel frembringer lyd. Gaflens ben bringes til at vibrere, og det er disse vibrationer, der sætter luften i svingninger.

Teori


side 4

Lydstyrke Lydstyrke måles i decibel (dB), en måleenhed, hvor man kan aflæse en lyds styrke. Den svageste lyd mennesket kan høre ligger i lejet omkring 1 dB. Den allerkraftigste lyd et menneske med normal hørelse kan klare, ligger lige i nærheden af 140 dB. Dette kaldes smertegrænsen. Hvis lyd-trykket overstiger smertegrænsen, eller ligger deromkring, kan man risikere at trommehinden sprænges. Når vi taler ganske almindeligt sammen, er lydstyrken ca. 55-60 dB. Vi har lavet et lille skema hvor man kan se forskellige dagligdags lyde, og deres lydstyrke målt i decibel. Det menneskelige øre kan akkurat registrere en forskel i lydstyrken på 1 dB uanset styrke og frekvens. Lydstyrken er både kendt som lydens volumen, og når vi taler om lydbølger, så er lydstyrken bølgens amplitude.

Lydens frekvens - tonehøjde Frekvensen afspejler tonens højde. Frekvens måles i Hertz (Hz), og betegner antallet af svingninger pr. sekund. Jo flere svingninger jo højere tone, jo færre svingninger jo dybere tone. En almindelig tone, som f.eks. når du taler, har ikke kun én men mange frekvenser, hvorimod en såkaldt sinustone kun har én.

Det menneskelige øre kan høre frekvenser fra 20 Hz (dyb tone) og helt op til 20.000 Hz (høj tone), men følsomheden forsvinder med alderen, så området bliver mindre.

Teori


side 5

Hastighed Lydens hastighed måles som regel i meter pr. sekund (m/s), og angiver kort sagt den hastighed lydbølgen bevæger sig med. Hastigheden er forskellig, alt efter hvilket stof man hører lyden igennem. Lydens hastighed i luft er 343 m/s, men svømmer man f.eks. under vandet er lyden faktisk mere end 4 gange så hurtig, nemlig ca. 1500 m/s. Forskellen skyldes at stoffer har forskellige "tætheder". Lyden bevæger sig altså nemmere gennem vand end gennem luft. Her ses et skema over lydens hastighed i forskellige materialer:

Det kan måske overraske, at lyden bevæger sig hurtigere i vand (havvand) end i luft – altså lige modsat lyset. Dette skyldes, at lyd er luft er en trykbølge, som udbreder sig i et stof. Dvs. at man i lufttomt rum intet kan høre – fordi lyden ikke kan udbrede sig.

Hvis man forestiller sig, at man laver ovenstående opstilling, vil man kunne høre musikken nede i vandet, men man vil ikke kunne høre den oppefra, fordi lydbølgerne reflekteres af vandets overflade. Dette sker, fordi lyden bevæger sig meget hurtigere i vand end i luft – det betyder at lyden reflekteres. Det er lige nøjagtig det modsatte der sker med lyset, for det bevæger sig hurtigere i luft end i vand – så lysbølgerne reflekteres over vandet.

Teori


side 6

Doppler-effekten Når man hører sirene, fx fra en ambulance, lyder det som om tonen fra ambulancen skifter. Når ambulancen nærmer sig, er tonen højere, end når ambulancen er på vej væk. Dette skyldes ”doppler-effekten”, der i al sin enkelhed betyder, at når ambulancen er på vej imod os (når vi står stille), bliver der kortere mellem bølgerne.

Når ambulancen bevæger sig væk fra os, trækkes bølgerne så at sige længere for os (der står stille), fordi der fra vores synsvinkel bliver længere mellem bølgerne. Når bølgelængden bliver kortere, betyder det, at frekvensen bliver større. Og det gør det, fordi lydens hastighed er den samme.

v = λ · f

• v er hastigheden angivet i sekunder • λ er bølgelængden angivet i meter • f er frekvensen angivet i svingninger pr. sekund, altså sekunder-1 eller i Hertz (Hz)

Vi flytter lidt rundt på bølgeformlen for at få f til at stå alene:

f = λ

v

Hvad sker der med frekvensen, når bølgelængden bliver mindre (v er konstant – altså uændret)?

Chokbølger Når lydkilden bevæger sig langsommere end lydens hastighed, så optræder doppler-effekten som nævnt tidligere. Men bevæger lydkilden sig lige så hurtigt som lyden, vil lydbølgerne kun udbrede sig på linje med og bagud i forhold til lydkilden, og alle fortætningerne lander altså oven i hinanden. Som du ved, forstærker fortætninger hinanden, og dette vil høres som et stort brag.

Teori


side 7

Du har sikkert prøvet at høre et jetfly, men ikke kunnet finde det på himmelen lige med det samme, fordi det lød som om det var et helt andet sted. Fænomenet skyldes at flyet gennembryder lydmuren. Det vil sige at det bevæger sig hurtigere end lyden, og derfor nærmest "flyver fra" lyden. Den buldrende lyd man hører skyldes at der ved flyvning omkring lydens hastighed er en enorm luftmodstand, der omdannes til kæmpemæssige bølger af luft, når flyet gennembryder lydmuren. Når disse bølger af luft når jorden, gengives de som buldren. Lydkilden kan altså også bevæge sig hurtigere end lyden. Og når det sker, vil lydbølgerne altid udbrede sig bag ved lydkilden. Her vil fortætning stadig møde fortætning:

Denne chokbølge kaldes et overlydsbrag, som følger efter lydkilden. Du kender det sikkert fra fly, der flyver med overlydsfart (altså hurtigere end lyden). Når de letter, øges deres hastighed gradvist. Når de når lydens hastighed, høres et brag, når flyet ”rammer lydmuren”. Men da flyet fortsætter med at flyve hurtigere end lyden, vil dette brag fortsætte efter flyvemaskinen – fordi fortætning stadig møder fortætning bag flyet. Det er derfor det lyder som om jetjagere larmer meget mere end andre flyvemaskiner og at man derfor skal have nogle særdeles hårdføre ører for at kunne være pilot på sådan et fly. Piloten hører dog ikke braget, fordi piloten jo bevæger sig sammen med bølgekilden – og der kan lyden jo slet ikke følge med ud.

Refleksion og akustik Du har garanteret prøvet fornemmelsen af at træde ind i et rum, f.eks. et badeværelse, hvor lyden ændrer sig, i forhold til hvordan den lød i det rum du kom fra. Ændringen skyldes at der er forskel på rummenes form, deres størrelse, hvilke materialer de er opbygget af, hvilke møbler der står, om der ligger tæpper på gulvet osv. Man siger at akustikken i rummene er forskellig. Når en lyd rammer et andet stof end det den bevæger sig i, reflekteres lyden og blander sig med den "originale" lyd. Det kan enten betyde at lyden forstærkes, dæmpes eller bare lyder anderledes. Hvad lyden "gør", afhænger af lydens hastighed i de stoffer, lyden rammer. Jo større forskel der er på de to stoffers lydhastigheder, jo mere af lydbølgen vil kastes tilbage. Går man fra en stue ind i et badeværelse vil lyden, i stedet for at ramme tapetet og tæppet i stuen, ramme fliserne i badeværelset. Da fliser, tapet og tæpper har forskellig lydhastighed, vil det altså ikke lyde ens når lyden rammer disse materialer.

Teori


side 8

Ultralyd En lyd der er over det hørbare område for mennesker, ca. 20.000 Hz, kaldes ultralyd. Ultralyd kan bruges til alt muligt, men en af de bedst kendte anvendelser er ultralydsscanning af fostre. Nogle dyr bruger ultralyd til at orientere sig efter. Det gælder fx flagermusen. Flagermusen udsender lyd, der reflekteres af de genstande, lyden møder. Den reflekterede lyd opfatter flagermusens ører, og alt efter hvilket materiale, lyden har ramt, vil lyden reflekteres forskelligt og derfor fortælle flagermusen, om det er noget spiseligt eller noget, den skal flyve udenom. Flagermusen bruger altså ultralyd til at se med – og den er utrolig god til det!

Egenfrekvens og resonans Alle genstande har deres egen frekvens, som kaldes ”egenfrekvens”. Når en genstands sættes i svingninger, vil den derfor altid svinge med den samme frekvens. Amplituden kan være forskellig (altså udsvingets størrelse), men frekvensen vil altid være den samme. Et eksempel herpå er stemmegaflen, hvor én stemmegaffel, der er lavet af et bestemt materiale og hvor gaffel-benene har en bestemt længde og tykkelse klinger med én frekvens (altså én tone), hvor en anden stemmegaffel er lavet af et andet materiale, hvor benene har en anden længde og tykkelse, og så er tonen pludselig en anden. Når en genstand sættes i svingninger, vil efterhånden ophøre med at svinge af sig selv – amplituden bliver hele tiden mindre. Men hvis man tilfører noget energi til det svingende system, så kan man få systemet til at fortsætte med at svinge med samme amplitude. I et ur er det fx det, der sker. Uret stopper ikke af sig selv og går heller ikke langsommere og langsommere, fordi pendulet i uret hele tiden får tilført noget energi fra batteriet. Først når batteriet er fladt, holder uret op med at gå. Man kan også tilføre så meget energi, at amplituden bliver endnu større. Den energi, man skal tilføre, kan kun overføres når systemet svinger i takt – når energikilden og energimodtageren har samme egenfrekvens. Det er fx forbudt for soldater at marchere i takt over en bro. Hvis der opstod resonans, er der risiko for at broen kommer i svingninger, der er så store, at broen går i ”selvsving” og bryder sammen. Svingninger kan også brede sig igennem jorden og andre faste stoffer. Ruderne klirrer og skabslåger rasler, når store biler kører forbi. I biler må man isolere mod resonans, så taget og dørplader ikke kommer i resonans med motorens eller bilens rystelser, og man monterer tykke, bløde lydabsorberende plader for at skabe ro i kabinen, så man kan høre bilradioen.

Teori


side 9

Tacoma-broen Under en storm i 1940 styrtede en 850 meter lang hængebro ned i havet ved Tacoma i USA. Årsagen var ikke stormens pres på broen, men de små vindhvirvler der blev frembragt på læsiden af broen. Netop den vindstyrke, som stormen havde, gjorde, at vindhvirvlerne fik samme frekvens som broens egenfrekvens – og broen kom til at svinge i takt med vindhvirvlerne. Energien fra vinden blev overført til broen, og broen gik i ”selvsving”. Den begyndte at svinge mere og mere kraftigt, og efter et døgns tid var svingningerne så kraftige, at den kun 4 mdr. gamle bro faldt fra hinanden og styrtede i vandet. Hvilke andre ting, kan du forestille dig, der kan være i fare for at gå i ”selvsving” pga. vind?

Stående bølger Som du ved, vil bølger enten forstærke hinanden eller svække hinanden, når de møder hinanden. Det er det, vi kalder interferens. Når to bølger med samme frekvens og amplitude bevæger sig mod hinanden, sker der dog en speciel form for interferens, hvor der dannes en såkaldt stående bølge.

Når der er tale om tværbølger, vil en bølgetop reflekteres som en bølgedal – og omvendt. Det betyder, at man, når man rammer en bestemt frekvens, kan lave en stående bølge som vist ovenfor. Det er næsten det samme, der sker, når vi taler om længdebølger. Her er det blot fortætninger og fortyndinger, der reflekteres. Skal man lave en stående lydbølge, kan man bruge et såkaldt resonans-rør. Her vil man have fortætning til at møde fortætning, for her vil lyden derfor blive kraftigere.

Når man anslår en stemmegaffel og holder den op mod et resonans-rør, så kan man indstille længden på røret – når man langsomt flytter stemplet, vil man høre, at lyden bliver kraftigere nogle steder. Det er disse steder, hvor der er forstærkninger.

Documents

Lyd - teori - MAT-FYS |Forsidemat-fys.dk/onewebmedia/Lyd_teori.pdf · TEORETISKE MÅL FOR EMNET: • Redegøre for forskellen på tværbølger og længdebølger samt vide, hvilken