Ljud

Ljud och hörsel

Med ljud menas inte bara den mekaniska vågrörelsen, utan även hörselförnimelsen. Ljudvågor transporterar relativt lite effekt. En talande person sänder ut bara någon tusendels watt, vilket verkar rimligt då det inte är någon större ansträngning att tala. Ljud vore i stort sätt utan intresse om vi människor inte uppfattade de små tryckvariationerna med hörseln. Hörbart ljud har frekvenser som ligger inom hörbarhetnsens gräns, vilken för människa 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.

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 de sinneshåren och signalen skickar vidare till hörselcentrum i hjärnan via hörselnerven. Frekvensselekteringen sker alltså primärt i basilarmembranet.

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 masspartikelerna förskjuts från sitt ursprungsläge kommer de elastiska kraft 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 är i regel skjuvspänningarna så små att de är försumbara. Om partiklarna svänger i en riktning som är vinkelrätt mot utbredningsriktningen kallas vågtypen transversalvåg. Exempelvis är vågrörelser i stillastående vattensamlingar är av denna typ. 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 åskväderen; först ser man blixt, 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 meter per sekund 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 lufttryckenet och påverkas endast marginellt av luftfuktighet. 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 skjuvvågorar, och i tunna fasta strukturer som plattor och balk 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

$\frac{\partial^2p}{\partial x^2}+\frac{\partial^2p}{\partial y^2}+\frac{\partial^2p}{\partial z^2}-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2p}{\partial t^2}=0,$

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 fältnn. Ljudfältet består då bara av det direkta fältet från ljudkälla.

Dopplereffekten är ett fysikaliskt fenomen, som innebär en förändring av frekvensnen hos en ljudsignal beroende på om ljudkälla närmar sig eller avlägsnar sig i förhållande till observatören. Detta beror på att källans hastighet dras från eller till ljudets hastighet.

Teknik och kommunikation

Kommunikation på avstånd

För att kommunicera över långa avstånd eller i bullriga miljöener har man genom historien funnit olika sätt att förstärka eller leda ljud från en plats till en annan. När den mänskliga röst 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-taleta lärde man sig omvandla ljudets mekaniska svängningar till elektromagnetisk dito, och tillbaka igen till hörbart ljud, varvid såväl den elektriska hörapparatenen som telefon skapades. Senare tillkom ljudradio och megafon.

Lagra ljud

Tekniken att uppfånga och lagra ljud för senare återgivningenen började utvecklas i slutet av 1800-talet med den första användbara fonograf, och har fortsatt under 1900-talet med skivspelarenn, trådspelare 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. Se vidare ljudfil.

Användning av ultraljud

Inom medicin och industri används ultraljud för diagnostik, bearbetning och rengöring.