Grundkurs i ljud

Ljud uppstår genom små tryckvariationer i luft, vatten eller något annat ämne. Ljudvågor är alltså rörelseenergi i form av vibrationer som för oss människor vanligtvis upplevs genom luften. Och själva ljudkällan, som får luften att vibrera, är oftast en vibrerande yta. Till exempel är våra röster resultatet av stämband som vibrerar tack vare luft från lungorna. På samma sätt fungerar strängar på en gitarr eller membran i en högtalare. Ljud kan även skapas genom en snabb förbränning, som en explosion till exempel. När ljudvågorna når våra öron omvandlas de till signaler som skickas vidare till hjärnan och då uppfattar vi dem som ljud.

Ljudets frekvens

Frekvensen berättar vilken ton ljudet har. Ett högfrekvent ljud är pipigt eller vasst medan ett lågfrekvent ljud är mullrande eller dovt. Frekvensen mäts i hertz (Hz) och talar om hur många svängningar per sekund en ljudvåg har. 1 Hz innebär en svängning per sekund. Det mänskliga örat kan i bästa fall uppfatta ljud som ligger på 20–20 000 Hz. Över 20 000 Hz är det ultraljud, under 20 Hz kallas det infraljud. Många djur kan däremot uppfatta ett mycket vidare frekvensområde. Till exempel kan hundar uppfatta högfrekventa ljud upp till 60 000 Hz. Det är därför de reagerar på speciella visselpipor som upplevs helt tysta för oss.

Det finns ljudfantaster (audiofiler) som hävdar att toner utanför det hörbara området ändå spelar roll i film- och musiksammanhang. De menar att infraljud är bra för basåtergivningen eftersom de får rummet att ”andas” medan ultraljud bidrar med ”rumsinformation” som att gitarristen i en liveinspelning står bakom sångaren. Ganska avancerat med andra ord.

När vi ändå är inne på musik och HiFi kan vi passa på att nämna hur ljudets frekvenser behandlas i en högtalare. De flesta dyra högtalarna är nämligen uppdelade på minst tre element som sköter olika frekvensområden: bas (ca 20–200 Hz), mellanregister (ca 200–2 000 Hz) och diskant (ca 2 000–20 000 Hz). På engelska har baselementet fått sitt namn från hundskall (woofer) och diskanten har fått sitt namn från fågelkvitter (tweeter). Röster ligger i mellanregistret och det är även där våra öron är som allra känsligast, alltså bäst på att uppfatta nyansskillnader i ljudet.

Eftersom lågfrekventa toner har större våglängder tar de sig igenom olika material bättre än högfrekventa. Det är därför du hör basen från grannens högtalare men inte diskanten. Av samma anledning blir en ljudabsorbent effektivare ju mer högfrekvent ljudet är. Låga toner är också mer rundstrålande än höga. Därför spelar det mindre roll var en baslåda i ett ljudsystem placeras. Örat kan inte avgöra var ljudet kommer ifrån ändå.

Ljudets volym

Ljudvolymen, ljudnivån eller ljudstyrkan svarar på hur högt eller hur mycket det låter. Höjden på topparna och djupet på dalarna i en ljudvåg kallas amplitud. Värdet beskriver tonhöjden, vilket är samma sak som volymen. Det här mäts i decibel (dB) och 0 dB är gränsen för vad ett mänskligt öra kan uppfatta. Vid ca 85 dB börjar ljudvolymen bli skadligt hög, vid 130 dB ligger smärttröskeln och vid 180 dB spricker trumhinnan.

Decibelskalan är logaritmisk, vilket kort sagt betyder att värdena är knepigare att förhålla sig till än avstånd i meter eller tyngd i kilon. Det är en kurva som blir brantare ju längre upp man kommer och den upplevda ljudvolymen blir dubbelt så hög för varje ökning med 10 dB. Det betyder att gräsklipparen på 90 dB upplevs dubbelt så högljudd som lastbilen på 80 dB, men att samma gräsklippare upplevs 32 gånger högre än viskningen på 30 dB.

Ljudets hastighet

Ju tätare ett ämne är desto snabbare färdas ljudet i det. I luften färdas ljudvågor ca 340 m/s vilket motsvarar 1 224 km/h eller mach 1. I vatten är det ca 1 500 m/s och i metall är det upp till ca 6 300 m/s beroende på vilken sort det är. När ett flygplan passerar ljudets hastighet spränger det ljudvallen. En tryckvåg uppstår och när den träffar marken blir det en explosionsliknande ljudbang som kan förstöra fönster och hela byggnader. Därför har det länge varit förbjudet att köra civil flygtrafik i överljudsfart där bebyggelse finns.

Med ljudet som verktyg

Tack vare kunskapen om ljudets hastighet kan vi mäta avstånd på olika sätt. Till exempel skickar ett ekolod ner ljudvågor och räknar sedan hur lång tid det tar för dem att studsa tillbaka. Eftersom vi vet hur fort ljudet färdas i vatten kan ekolodet berätta hur djupt det är.

Vi kan även använda ljudets hastighet för att beräkna hur långt bort ett blixtnedslag är. Eftersom det tar ungefär 3 sekunder för ljudet att färdas 1 km och ljuset färdas otroligt mycket snabbare (ca 300 000 km/s) kan vi räkna hur många sekunder det tar för åskknallen att nå fram efter att vi sett blixten. Om det tar 3 sekunder är det alltså 1 km bort.

En annan smått magisk teknik som bygger på ljudkunskap är den aktiva brusreduceringen som finns i vissa hörlurar. För att det ska fungera används en mikrofon som fångar upp ljudvågorna från bakgrundsbrus eller buller. Exakt samma ljudvågor fast helt spegelvända skickas sedan ut genom hörlurarna. Resultatet blir tystnad och man slipper höra bruset på kontoret, bussen eller vad det nu kan vara. Tekniken används även i en del personbilar och flygplan.

Så fungerar örat

Våra öron består av tre delar: ytterörat, mellanörat och innerörat. Det yttersta delen börjar med öronmusslan, alltså det vi kallar själva örat. Öronmusslans uppgift är att fånga upp ljudvågor och leda in dem i hörselgången. En bit in når de trumhinnan som då börjar vibrera. Trumhinnan skickar vågrörelserna via de tre hörselbenen i mellanörat och in till innerörats snäcka. Hårcellerna i snäckan skickar sedan nervsignaler till hörselcentrum i hjärnan och vi uppfattar ljudvågorna som ljud. Om trycket på trumhinnan blir för stort kan den spricka. Det kan ske genom ett högt ljud eller en smäll mot örat. Eller så kan trycket komma inifrån i form av en öroninflammation. Men oavsett brukar trumhinnan läka snabbt av sig själv.

Efterklang och eko

I alla rum finns en viss efterklang. Det betyder att ljudet reflekteras och därmed dröjer sig kvar i rummet. För att ta reda på om ett rum har lång eller kort efterklang kan du testa med en vanlig handklapp. Ju snabbare ljudet klingar av desto kortare efterklang har rummet, vilket är bra.

Eko är i stort sett samma fenomen som efterklang. Det uppstår också när ljud reflekteras av en yta, men det uppfattas igen med så pass stor fördröjning att det blir som ett eget ljud. Det brukar krävas en fördröjning på en tiondels sekund för att det ska upplevas som ett eko, vilket innebär att den reflekterande ytan i regel behöver vara minst 17 meter bort. Men snabbare ekon kan uppstå om ljudet studsar flera gånger mellan två ytor på kortare avstånd. Det kallas fladdereko och kan upplevas i gångtunnlar och liknande. Ekot blir dessutom starkare om den reflekterande ytan är välvd.