Wikijunior:Natuurkunde/Geluid

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Inleiding: Geluid maken, meten en regelen

Je kunt van geluid genieten of je eraan ergeren. Je kunt van geluid ook je beroep maken. Musici, audiologen en geluidstechnici werken elke dag met geluid.

Geluid om je heen

Bijna altijd is er wel geluid om je heen. Je kunt het bijna overal horen, maar dan moet het wel hard genoeg zijn. Later meer daarover.

Geluidsbronnen

Waar een geluid van afkomstig is, noem je een geluidsbron. Als je naar muziek luistert, is de luidspreker de geluidsbron.

Geluid is een trilling

Proef: Geluid is een trilling
Benodigdheden: twee even grote wijnglazen, stukje garen, azijn Geluid is eigenlijk een trilling. Dat kun je goed zien met dit proefje. Zet twee even hoge wijnglazen naast elkaar. Leg over één glas een stukje garen. Doop je wijsvinger in azijn, wrijf ermee over de rand van het andere glas en zie ... de draad gaat bewegen! Met je wijsvinger veroorzaak je trillingen in het ene glas, dat daardoor geluidsgolven uitzendt. Daardoor gaat ook het andere glas trillen en beweegt het stukje garen.
Wat heb ik geleerd: Geluid is in wezen een trilling

Nog een voorbeeld: trek aan de snaar van een gitaar en laat hem los. TONGGGGGG... hoor je dan. Je ziet dat de snaar trilt.

Alles wat trilt brengt ook de lucht eromheen in beweging. Die beweging plant zich voort door de lucht. Dat noemen we een geluidsgolf. Als die tot je oor loopt en je trommelvlies bereikt, hoor je dat als geluid.

De stem als geluidsbron

Proef: De stem als geluidsbron
Benodigdheden: spiegel Voel met je vingers aan je keel en praat. Je voelt trillingen. Hou nu de spiegel voor je mond en blaas uit alsof je fluisterend 'hoooooo' zegt. De spiegel beslaat. De uitgeademde lucht was aan het trillen. Hou de spiegel vervolgens weer voor je mond en zeg 'aaaaaa'; achterin kun je je zachte gehemelte en huig op en neer zien gaan door de lucht uit je keel die erlangs stroomt. Leg de spiegel nu weg en zeg 'rrrrrrrrrr'. Tijdens het rollen van de 'r' voel je je tong, zachte gehemelte en keelholte trillen doordat er lucht langs stroomt. Zeg nu nog 'ssssssssss' en een paar keer 't'; bij het sissen van de 's' blaas je lucht tussen je tong en gehemelte, bij de 't' druk je je tong even tegen je tandkassen aan terwijl er lucht langs stroomt. Je stembanden maken bij deze laatste twee klanken zelf geen geluid doordat ze niet gespannen zijn.
Wat heb ik geleerd: Doordat er lucht langs je stembanden uit je keel stroomt, kun je fluisteren en met je stem geluid produceren.

Stemgeluid ontstaat doordat je stembanden gaan trillen. Dat ze gaan trillen komt door de lucht die je tussen je stembanden door uitademt.

Frequentie

Geluid is zoals we zeggen een trilling. Wat je hoort kan hoog zijn, of laag. Een man heeft meestal een lage stem, een vrouw een hogere stem. Dit noemen we de toonhoogte. De toonhoogte wordt ook wel de frequentie genoemd. De frequentie van een trilling is het aantal bewegingen per seconde. Bij geluid kan je die bewegingen alleen niet zien. Wat wij horen als we een geluid horen met een bepaalde frequentie, duiden we aan met toonhoogte. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de toon.

Proef: Muzikale liniaal
Benodigdheden: liniaal, tafel Neem een liniaal. Duw de liniaal met je hand stevig op een tafel. Laat hem 15 cm uitsteken. Trek de top van de liniaal een stukje naar beneden en laat hem los. Dan trilt de liniaal. En je hoort geluid! Laat hem nu korter uitsteken. Hij maakt nu een hoger geluid dan eerst. Nu 5 cm. Het geluid zal nog hoger zijn. De snelste trilling gaf de hoogste toon. Dat was dus bij de derde en laatste test.
Wat heb ik geleerd: Ten eerste: ook een trillende liniaal is een geluidsbron, ten tweede: des te korter de golflengte des te hoger de frequentie, ten derde: hoe hoger de frequentie, des te hoger te toon.

Hertz

De frequentie wordt uitgedrukt in Hertz (afgekort Hz). 1 Hz is 1 trilling per seconde. Geluiden tussen de 20 en 20.000 hertz kun je, als je oren goed zijn tenminste, horen. Niet alle mensen kunnen even goed horen. Als je ouder wordt, kun je steeds minder goed de hoge tonen horen.

Ultrasoon geluid

Geluid met een hogere frequentie dan 20.000 hertz noem je ultrasoon geluid. Mensen kunnen ultrasoon geluid niet horen, sommige dieren, honden en vleermuizen bijvoorbeeld, wel.

Infrasoon geluid

Geluid met een lagere frequentie dan 20 hertz noem je infrasoon geluid. Mensen kunnen infrasoon geluid niet horen. Maar als het heel hard is kan je het wel voelen.

Geluidssterkte

Hard en zacht

Blaas zacht. Je hoort zacht geluid. Blaas hard. Je hoort hard geluid.

Het geluid bij bijvoorbeeld je discman regel je door een volumeknop. Het geluid van een bromfiets is niet te regelen.

Decibel

Deze Space Shuttle geeft in de nabijheid ongeveer 180 decibel.

Zacht geluid heeft een sterkte van 10 dB. Hard geluid een sterkte van 90 dB. De maateenheid om geluidssterkte te meten is dB, wat staat voor decibel, naar meneer Bell, de uitvinder van de telefoon. Een decimeter is een tiende meter, een decibel een tiende bel. Hoe verder je weg bent van een geluidsbron, des te zwakker het geluid wordt.

Een zacht fluitend vogeltje is 15 dB. Een bladzijde omslaan 38 dB. Een normaal gesprek 60 dB. Een drilboor 103 dB en een raketlancering 180 dB. Bij de raketlancering ben je in één seconde doof. Een oortje van je mobiel veroorzaakt op den duur doofheid, omdat het geluid meestal te hard staat.

Geluidshinder

Schadelijk geluid

Geluid harder dan 120 dB veroorzaakt zeker schade aan je gehoor. Maar als je 80 dB te lang op een dag hoort, kun je ook schade aan je gehoor krijgen.

Als je een uur lang naar muziek luistert met een sterkte van 86 decibel, kun je gehoorschade krijgen. Muzikanten van een popgroep lopen ook gevaar voor gehoorschade. Met hun trompetten en zo kunnen ze behoorlijk wat decibels produceren. Ook door een koptelefoon met harde muziek kan je gehoorschade krijgen. Dat kan niet meer genezen!

Hinderlijk geluid

Je kunt niet precies aangeven wanneer geluid hinderlijk is. Dat is voor iedereen verschillend. Maar als je harde geluiden hoort, terwijl je in bed ligt, kun je waarschijnlijk niet slapen. Heel vervelend allemaal...

Proef: Wanneer is geluid hinderlijk
Benodigdheden: cd met muziek, cd-speler, vriend, twee volwassenen (bijv. je vader en je moeder) Nodig je vriend uit voor deze proef. Neem een cd en zet hem op. Laat bijvoorbeeld je vader het geluid heel langzaam steeds harder zetten en vraag bijvoorbeeld je moeder de tijd in de gaten houden. Als het geluid je te hard wordt, zeg dan STOP en laat je vader de muziek uitzetten. Dan je vriend. Die doet precies hetzelfde als jij. Die houdt het wellicht langer vol. Of juist minder lang. Conclusie: het is voor iedereen anders wanneer geluid hinderlijk wordt.
Wat heb ik geleerd: Of geluid hinderlijk is of niet hangt af van de persoon.

Geluidsisolatie

Geluidshinder wordt vaak bestreden met geluidisolatie. Huizen kunnen bijvoorbeeld worden geïsoleerd door dubbele beglazing aan te brengen. Er kan dan minder geluid de huizen binnenkomen.

Als een machine op een harde vloer staat, kan hij de vloer gemakkelijk in trilling brengen. De trillingen kunnen door de vloeren en muren alle kanten op. Dit kan geluidshinder veroorzaken. Als je de machine op rubberen noppen zet, dempt het rubber de trillingen, waardoor de trillingen in de vloer zwakker worden.

Echo

Als je in een tunnel wat roept, zul je horen dat het geluid wordt herhaald. Dat is de echo. Je roept wat in een tunnel, het kaatst tegen de muur terug naar je oren.

Proef: Gebundelde echo
Benodigdheden: tikkend horloge met wijzers, twee even grote schaaltjes Normaal hoor je een tikkend horloge bijna niet. In deze proef wel! Neem 2 even grote schaaltjes en een tikkend horloge met wijzers. Zet een schaaltje neer, leg het horloge erin en hou het tweede schaaltje bij je oor. Als je het een beetje heen en weer beweegt, hoor je het horloge tikken! Hoe werkt dat: het schaaltje dat op tafel staat, produceert echo's van de tikken van het horloge. Het schaaltje dat je bij je oor houdt, vangt de echo's op en kaatst ze, vanwege de holle vorm, gebundeld je oor in. Je hoort de tikken daarom versterkt.
Wat heb ik geleerd: Je kunt geluid versterken.

Signalen

Signalen versturen

Als je praat, produceer je geluidsgolven. De druk van de lucht om je heen verandert voortdurend. Een microfoon kan die fluctuaties van de luchtdruk omzetten in veranderende elektrische spanning. Dat is een elektrisch signaal.

Dat gebeurt bijvoorbeeld als je belt naar je vriend in Amerika. Het geluid van je stem wordt omgezet in een elektrisch signaal. Dit signaal gaat via leidingen van koperdraad naar een telefooncentrale. Daar wordt het elektrische signaal weer omgezet in een lichtsignaal. Het lichtsignaal gaat dan door een glasvezelkabel naar Amerika. Daar wordt er weer een elektrisch signaal van gemaakt en dat wordt dan weer in geluid omgezet.

Hoewel je signaal vier keer is omgezet in een andere vorm, is het oorspronkelijke signaal bewaard gebleven.

Signalen zichtbaar maken

Proef: Signalen zichtbaar maken
Benodigdheden: computer met microfoon. Start het programma Geluidsrecorder. Klik op de Record-knop, dat is de knop met het donkerrode bolletje en spreek wat in. De microfoon zet het geluid om in een elektrisch signaal. Dit elektrische signaal is een spanning die steeds verandert. Dat wordt wisselspanning genoemd. Je zult zien dat het elektrische signaal zichtbaar wordt gemaakt op het computerscherm.
Wat heb ik geleerd: Geluid is een trilling die je zichtbaar kan maken

De frequentie van het elektrische signaal komt overeen met de frequentie van het geluid. Het aantal trillingen per seconde is precies even groot.

Als je trompet speelt en je blaast hard, wordt de toon luider. De amplitude van de geluidstrillingen wordt groter.

De frequentie bepalen

Met een oscilloscoop kun je de frequentie van een signalen bepalen. Je moet in zo'n geval eerst een geschikte tijdbasis instellen. Daarna kun je op het scherm aflezen hoe groot de trillingstijd is. De trillingstijd is de tijdsduur van één volledige trilling.

Luidsprekers

Werken met een toongenerator

Een toongenerator levert een elektrisch signaal in de vorm van een wisselspanning. Je kunt de frequentie van deze wisselspanning heel precies regelen.

Eerst wordt het elektrische signaal versterkt. Daarna wordt het naar de luidspreker geleid. Die zet het elektrische signaal om in een geluidssignaal. Zo ontstaat een toon met dezelfde frequentie als het oorspronkelijk, elektrische signaal.

Op de decibelmeter kun je aflezen hoe groot de geluidsterkte van de toon is. Op die manier kun je nagaan hoe goed de luidsprekertonen met verschillende frequenties weergeeft.

De werking van een luidspreker

Hoe werkt een luidspreker? Een conus (kegelvormig stuk papier of karton) zit vast aan een spoel die op een versterker is aangesloten. De spel kan heen en weer bewegen in de ruimte tussen een ringvormige magneet en een ijzeren kern. De wisselspanning van de versterker laat de stroom door de spel voortdurend van richting veranderen. De spoel en de conus bewegen voortdurend heen en weer, met dezelfde frequentie als de wisselspanning. Zo wordt de lucht rond de luidspreker in trilling gebracht.

Soorten luidsprekers

Als je luidsprekers test, merk je dat ze niet alle tonen even goed weergeven. Sommige luidsprekers zijn goed in het weergeven van lage tonen, anderen weer in het weergeven van hogere tonen. Maar er bestaan geen luidsprekers die alle tonen van 20 tot 20.000 Hz (het gehoorbereik van de mens) goed kunnen weergeven. Daarom hebben de meeste geluidboxen twee of meer luidsprekers.

Iedere luidspreker heeft zijn eigen frequentiekarakteristiek. Zo'n frequentiekarakteristiek wordt gemaakt door de geluidssterkte te meten bij een aantal verschillende frequenties.

Een opname afspelen

Drie cassettebandjes.

Op een cassettebandje kun je geluid vastleggen. Dat gebeurt door het materiaal op de band afwisselend sterker en zwakker, of niet, te magnetiseren. Je kunt die magnetisering zichtbaar maken met behulp van fijn ijzerpoeder. Bij het afspelen beweegt de band langs de weergavekop van de recorder. Deze kop zet de magnetisering van de band om in een zwak, elektrisch signaal. In de praktijk wordt voor het opnemen en het afspelen dezelfde kop gebruikt. Het is een gecombineerde opname-weergavekop. Het elektrische signaal van de weergavekop is heel zwak. Daarom wordt dit signaal eerst versterkt, voor het naar de luidsprekers wordt geleid. Het versterkte signaal wordt door de luidsprekers weer omgezet in geluid.

Geluid en helium

Misschien heb je het wel eens gehoord: als je helium inademt en je praat, heeft dat effect op je stem. Je gaat hoger praten. Maar heeft dat ook effect bij muziekinstrumenten?

Proef

Proef: Speel niet zo vals!
Benodigdheden: blaasinstrument, (bijvoorbeeld fluit of trompet) ballon met helium, cassetterecorder Pak je blaasinstrument en speel gewoon een leuk liedje. Neem dat op met een cassetterecorder. Neem nu de ballon met helium en adem flink wat helium in. (in één teug) Nu is het tijd voor de finale! Neem je blaasinstrument en probeer wat te spelen. Het is niet om aan te horen! Neem ook dit op met je cassetterecorder, dan kan iedereen lachen. Probeer het eens uit samen met vrienden en vorm samen een (valsspelend) orkest!
Wat heb ik geleerd: Helium beïnvloedt ook blaasinstrumenten.

Hoe kan dit toch?

Helium inademen heeft niet alleen invloed op je stem. Helium is namelijk dunner dan lucht, waardoor het geluid sneller gaat. Resultaat: je krijgt een hogere toon als je door je instrument blaast.