När du lyssnar på musik eller någon som pratar är det vågor i luften, ljudvågor, som gör att du kan höra ljudet. På sjukhus används ljudvågor i form av ultraljud för att se in i kroppen, och riktigt låga ljud kan kännas i hela kroppen. Vi upplever ljud varje dag, men det är sällan vi funderar på vad ljud egentligen är, hur det skapas och hur det rör sig.

• Vad händer egentligen i en högtalare när vi höjer volymen?

• Varför ändras tonen på en gitarrsträng när vi spänner den?

• Varför kan vi höra någon ropa över en hel sjö?

I det här kapitlet kommer vi svara på den typen av frågor. Har du några andra ljud som du kan ge exempel på?

Det är ofta viktigt att förstå hur ljud uppfattas. I en vanlig bil vill man till exempel dämpa bullret, men i en sportbil är motorljudet en del av upplevelsen. I en biosalong försöker man undvika att ljudet studsar runt och blir otydligt. På en restaurang kan många hårda ytor göra ljudnivån bullrig, medan ljuddämpande material gör att samtal uppfattas mer behagliga.

[Visa några exempelbilder, här är några förslag, men inte så viktigt vad det är: restaurang med eko, instrument som skapar ljud, ambulans som åker förbi, eko i en tunnel]

Ljudvågor skapas när något vibrerar i luften. Vibrationen sätter igång en kedjereaktion i luften, eller i materialet som det rör sig i. Alla ljudvågor behöver något att röra sig i. Man kallar detta ämne eller material för ett medium. I rymden, där det inte finns något medium för ljudvågorna att röra sig i, är det därför tyst.

Tänk på en gitarrsträng som någon har knäppt på:

• Strängen svänger fram och tillbaka, och knuffar på de närmaste luftpartiklarna.

• De luftpartiklarna knuffar i sin tur på nästa lager partiklar.

• Varje partikel rör sig bara lite fram och tillbaka, men det bildas förtätningar där partiklarna trycks ihop, och förtunningar där de sprids ut.

• Förtätningarna och förtunningarna bildar vågor, vågorna som sprids genom luften.

• Vågorna kommer fram till ditt öra, och får trumhinnan att börja svänga i samma takt som gitarrens sträng. Hjärnan tolkar svängningarna, och du hör en ton.

När ljudvågen går från strängen till ditt öra så rör sig alltså partiklarna i luften bara lite grand fram och tillbaka. Men vågen rör sig framåt, och överför energi från gitarrens sträng till din trumhinna. Det är alltså inte samma luftpartiklar som började svänga på grund av strängen som får din trumhinna att svänga.

Vid förtätningar ökar lufttrycket eftersom det finns fler partiklar på samma ställe. På liknande sätt minskar trycket vid förtunningarna. Dessa små tryckförändringar ändras kring ett jämviktsläge som är det normala lufttrycket på runt 100 kPa.

När vi spelar på en gitarr upplever vi att olika strängar låter väldigt olika. Vilket ljud vi hör beror på hur många svängningar strängen gör per sekund, detta kallas för frekvens. En ljudvåg med låg frekvens upplever vi som en mörk ton medan en hög frekvens uppfattas som en ljus ton.

Vi mäter ljudets frekvens i enheten Hertz, Hz. Är frekvensen 1 Hz innebär det att det sker en svängning varje sekund. Är frekvensen lägre än 20 Hz, alltså färre än 20 svängningar per sekund, så uppfattar våra öron inte ljudet alls. Då kallar vi ljudet för infraljud. Om infraljudet är tillräckligt starkt kan vi känna vibrationerna som ljudvågen skapar i kroppen, även om vi inte hör den.

På liknande sätt finns ultraljud med frekvenser på över 20 000 Hz som våra öron inte heller uppfattar. Däremot kan en del djur höra ultraljud, vilket till exempel används i speciella visselpipor för hundar. Ultraljud används också inom vården. En maskin skickar in ultraljud-vågor i kroppen. Ultraljudet reflekteras olika mycket från olika sorters vävnader, och på så sätt kan man skapa en bild av till exempel hjärtat eller ett foster.

Vad händer när man vrider upp volymen på en högtalare? Högtalaren fungerar ungefär likadant som gitarrsträngen. Ett membran vibrerar och sätter fart på luftens partiklar. De svängande luftpartiklarna bildar ljudvågor. Ljudvågorna sätter fart på trumhinnan och vi hör musik. När vi höjer volymen hör vi samma musik, så membranet svänger fortfarande lika snabbt, frekvensen ändras inte. Däremot rör sig membranet fram och tillbaka mer, vilket gör att luftpartiklarnas svängningar blir kraftigare. Vi säger att amplituden på partiklarnas svängningar blir större, och ljudets intensitet ökar.

Amplituden är ett mått på hur mycket en våg svänger. För ljud kan vi prata om två olika amplituder: antingen hur mycket partiklarna svänger (partikelsvängningen, som mäts i meter), eller hur mycket trycket varierar (tryckamplituden, som mäts i Pascal).

När vi pratar om hur starkt ljudet är rent fysiskt använder vi istället begreppet intensitet. Intensiteten beskriver hur mycket energi som transporteras med ljudvågen. Energin mäts per sekund och per kvadratmeter.

[Video av en ljudvåg (både som sinusgraf och som partiklar som rör sig) som svänger med en hörbar frekvens och spela upp ljudet. Ändra sen till slowmotion så att man kan se svängningen, men spela fortfarande upp ljudet som normalt. Ändra sen på frekvensen så att båda graferna ändras samtidigt som man ändrar ljudet som spelas upp. Sen ändrar man på amplituden så att partiklarna svänger mer och ökar samtidigt volymen på ljudet som spelas upp.]

Ljudets intensitet kan alltså ändras genom att man ändrar amplituden. Men intensiteten avgör inte hela upplevelsen. Våra öron är nämligen inte lika känsliga för alla frekvenser. Därför kan två ljud med samma intensitet, men olika frekvenser, uppfattas som olika starka. Öronen är mest känsliga för ljud runt 3 000 Hz, det vill säga ljud som svänger ungefär tretusen gånger per sekund. Den upplevda ljudstyrkan är alltså inte bara en fråga om hur ljudvågen ser ut, utan också om hur vår hörsel fungerar.

Ljud kan variera enormt mycket i styrka – från en knappnål som faller till marken till ett jetplans motor. Därför används ofta ett mått som kallas för decibel (dB). Decibel funkar så att om man ökar med 10 dB så blir intensiteten tio gånger större. En ökning med 20 dB betyder hundra gånger större intensitet, 30 dB motsvarar tusen gånger och så vidare.

Vi människor utnyttjar ljudets hastighet till att ta reda på var ljud kommer ifrån. Öronen sitter en bit ifrån varandra. Därför kan det ta olika lång tid innan ljudet kommer fram till dem. Med hjälp av den tidsskillnaden räknar hjärnan ut vilken riktning ljudet kommer från.

När en ljudvåg har skapats ändras inte dess frekvens. Men vågens hastighet kan variera, beroende på vilket medium ljudet rör sig i. Till exempel rör sig ljudet mycket snabbare i vatten än i luft. Det betyder att det kan vara svårare att förstå varifrån ljud kommer om man är under vatten. Våra hjärnor är ju vana vid att räkna ut riktningen med hjälp av tidsskillnaden för ljudet i luften.

Ljudets hastighet beror framförallt på två saker: hur tätt partiklarna sitter (densitet) och hur starka kopplingarna mellan dem är. I luft vid normalt lufttryck och 20 °C är ljudets hastighet ungefär 340 m/s, i vatten är den runt 1 500 m/s och i stål cirka 6 000 m/s.

I gaser påverkas ljudhastigheten av temperaturen. När luften värms upp rör sig luftpartiklarna snabbare och krockar oftare, vilket gör att ljudet sprids snabbare. Ju varmare luften är, desto snabbare går alltså ljudet.

[Högerspalt: förklara Kelvin och jämför med Celsius. Eller bara länka till kapitlet om temperatur?]

Normalt blir luften utomhus kallare ju högre upp man kommer. Det betyder att ljudet går snabbast nära marken och långsammare högre upp, vilket gör att ljudet böjs av uppåt och bort från marken. Det är en av anledningarna till att man sällan hör åska på mer än 20 kilometers avstånd.

[Visa bild med åska och hur ljudet böjs uppåt och bort från marken. Visa att temperaturen och ljudhastigheten är högre närmre marken och lägre högre upp]

Men ibland är det tvärtom. Till exempel om vattnet i en sjö är kallt och kyler ner luften ovanför. Då är det varmare högre upp, och ljudhastigheten blir långsammare nära vattenytan än uppe i luften. I det här exemplet böjs ljudet alltså nedåt. På så sätt kan man ibland höra någon tala över en hel sjö mycket tydligare än man annars skulle kunna.

[Visa bild på en sjö och en person på varsin sida. Ljudet från en person böjs neråt mot den andra eftersom det är svalare luft och lägre hastighet precis ovanför vattnet jämfört med högre upp]

I fasta material är det framför allt två saker som avgör ljudets hastighet: densiteten och materialets styvhet, alltså hur “tätt” och hur hårt materialet är. Högre densitet ger långsammare ljud. Men styvare material ger snabbare ljud. Det förklarar varför ljudet går mycket snabbare i stål än i gummi. De flesta fasta material blir lite mjukare när de värms upp, vilket gör att ljudhastigheten ofta minskar om materialet blir varmt.

Ett bra exempel på hur hastigheten påverkar ljudet är en gitarrsträng. Eftersom strängen sitter fast i båda ändar är våglängden hela tiden samma om vi spelar på strängen utan att trycka ner den. Men genom att ändra spänningen eller använda strängar av olika tjocklek kan man påverka ljudets hastighet i strängen. Då ändrar man vilken frekvens, och därmed tonhöjd, man får. Om man spänner strängen blir den styvare, och ljudet rör sig snabbare. Då blir tonen högre. På samma sätt rör sig ljudet snabbare i en tunnare, mjukare sträng, och tonen blir högre.

Ljud uppstår när något vibrerar och sätter partiklar i rörelse. När en gitarrsträng, en högtalare eller stämbanden vibrerar påverkas partiklarna i luften omkring dem. Partiklarna börjar svänga fram och tillbaka och påverkar i sin tur nästa lager partiklar. På så sätt sprids ljudet vidare som en ljudvåg.

Ljudvågor behöver ett ämne att röra sig i, till exempel luft, vatten eller ett fast material. Ett sådant ämne kallas medium. I rymden finns nästan inga partiklar som kan föra ljudet vidare. Därför kan ljud inte spridas i tomrum.

När en ljudvåg rör sig genom luften flyttas inte luftpartiklarna hela vägen från ljudkällan till örat. Varje partikel rör sig bara lite fram och tillbaka kring sitt läge. Däremot förs svängningen vidare genom luften. I ljudvågen bildas områden där partiklarna ligger tätare, så kallade förtätningar, och områden där partiklarna ligger glesare, så kallade förtunningar. Dessa små tryckförändringar sprider sig genom luften och kan få trumhinnan i örat att vibrera. Hjärnan tolkar sedan vibrationerna som ljud.

Ljudets frekvens avgör vilken ton vi uppfattar. Frekvensen anger hur många svängningar som sker varje sekund och mäts i hertz, Hz. En låg frekvens uppfattas som en mörk ton, medan en hög frekvens uppfattas som en ljus ton. Människans hörsel kan ungefär uppfatta ljud mellan 20 Hz och 20 000 Hz. Ljud med lägre frekvens än 20 Hz kallas infraljud. Ljud med högre frekvens än 20 000 Hz kallas ultraljud. Ultraljud används bland annat inom sjukvården för att skapa bilder av kroppens inre.

Ljudets styrka beror på hur kraftiga svängningarna är. När volymen på en högtalare höjs svänger högtalarens membran mer, men inte nödvändigtvis snabbare. Frekvensen kan alltså vara densamma, medan amplituden ökar. Amplituden beskriver hur mycket vågen svänger. När amplituden ökar transporterar ljudvågen mer energi, vilket innebär att ljudets intensitet ökar.

Den ljudstyrka vi upplever beror inte bara på intensiteten. Örat är olika känsligt för olika frekvenser och uppfattar vissa ljud som starkare än andra även om de har samma fysikaliska intensitet. För att beskriva ljudnivå används ofta enheten decibel, dB. Decibelskalan är uppbyggd så att en ökning med 10 dB motsvarar tio gånger större intensitet.

Ljudets hastighet beror på vilket medium ljudet färdas genom. I luft vid ungefär 20 °C är ljudets hastighet cirka 340 m/s. I vatten rör sig ljudet snabbare, ungefär 1 500 m/s, och i stål kan hastigheten vara omkring 6 000 m/s. Skillnaden beror på hur tätt partiklarna sitter och hur starkt de är kopplade till varandra.

I gaser påverkas ljudhastigheten också av temperaturen. När luften blir varmare rör sig partiklarna snabbare och ljudet sprids fortare. Skillnader i temperatur kan därför göra att ljud böjs av. Över en kall sjö kan ljud ibland böjas nedåt mot vattenytan, vilket gör att man kan höra röster tydligt på långt avstånd.

I fasta material beror ljudhastigheten framför allt på materialets densitet och styvhet. Styva material leder ofta ljud snabbare än mjuka material. Detta kan användas för att förstå hur en gitarr fungerar. När en gitarrsträng spänns blir den styvare, vilket gör att vågen rör sig snabbare i strängen. Då ökar frekvensen och tonen blir högre.

Ljudvågor kan alltså beskrivas med hjälp av begrepp som medium, frekvens, amplitud, intensitet och hastighet. Tillsammans förklarar dessa begrepp hur ljud skapas, hur det sprids och hur vi uppfattar det.