Dette indlæg er en del af Mini Week, hvor jeg udsender et nyt miniindlæg, som dog ikke er mini, som det viser sig, hver eneste dag i denne uge.
___________
Jeg har altid været lidt forvirret omkring lyd. Så til “tirsdagens” “mini”-indlæg besluttede jeg mig for at gøre noget ved det.
Vi tænker på lyd som noget, vi hører – noget, der laver støj. Men i ren fysik er lyd bare en vibration, der går gennem stof.
Måden, hvorpå en vibration “går gennem” stof, er i form af en lydbølge. Når du tænker på lydbølger, tænker du sikkert på noget som dette:1
Men det er ikke sådan, lydbølger fungerer. Sådan en bølge kaldes en tværbølge, hvor hver enkelt partikel bevæger sig op og ned for at skabe en slangesituation.
En lydbølge minder mere om en regnormssituation:2
Lige en regnorm bevæger lyden sig ved at komprimere og dekomprimere sig. Dette kaldes en langsgående bølge. En slange kan lave begge slags bølger:13
Lyd starter med en vibration af en slags, der skaber en langsgående bølge gennem materien. Se det her:4
Det er sådan lyd ser ud – men forestil dig en ekspanderende bølge af kugler, der gør det. I denne animation bliver lydbølgen genereret af den vibrerende grå bjælke til venstre. Stangen kan være dine stemmebånd, en guitarsnor eller et vandfald, der hele tiden dunker ned i floden nedenunder. Ved at se på de røde prikker kan du se, at selv om bølgen bevæger sig i én retning, bevæger hver enkelt partikel sig kun frem og tilbage, hvilket efterligner den grå stangs vibrationer.
Så i stedet for en kurvet slangebølge er lyden en trykbølge, som gør, at hvert stykke luft enten har et højere end normalt tryk eller et lavere end normalt tryk. Så når du ser en slangeagtig illustration af en lydbølge, henviser det til trykmålet, ikke til partiklernes bogstavelige bevægelsesvej:5
Lydbølger kan gå gennem luften, hvilket er den måde, vi normalt oplever det på. Men de kan også gå gennem flydende2 eller fast stof – en stor del af de rystelser, der sker under et jordskælv, er resultatet af en enorm lydbølge, der suser gennem jorden (i det tilfælde tjener bevægelsen af bruddet som de grå og røde bjælker i animationerne ovenfor).
Hvad med lydhastigheden? Jo, den afhænger af, hvor hurtigt trykbølgen kan bevæge sig i et givet medium. Et medium, der er mere flydende, som f.eks. luft, er meget komprimerbart, så det tager længere tid for bølgen at bevæge sig, mens vand er langt mindre komprimerbart, så der er mindre “give” til at bremse bølgen. Det svarer til to personer, der holder en udstrakt slinky mellem sig – hvis den ene skubber sin ende mod den anden person, vil bølgen være lidt længere tid om at bevæge sig ned ad slinkyen, før den anden person kan mærke den. Men hvis de to personer holder et kosteskaft, når den ene skubber, mærker den anden det straks, fordi kosteskaftet er meget mindre komprimerbart.6
Så det giver mening, at lydhastigheden i luft (768 mph / 1.234 km/t under normale forhold) er ca. fire gange langsommere end lydhastigheden i vand, som i sig selv er ca. fire gange langsommere end lydhastigheden gennem et fast stof som jern.
Tilbage til os og hørelsen. Ørene er en evolutionær nyskabelse, der gør det muligt for os at registrere lydbølger i luften omkring os og behandle dem som information – uden ører ville de fleste lydbølger være umærkelige for et menneske, og kun de kraftigste lyde ville blive registreret som en følbar vibration på vores hud. Ørene giver os en magisk evne til at opfatte selv svage lydbølger på en måde, der er så nuanceret, at den normalt kan fortælle os præcis, hvor lyden kommer fra, og hvilken betydning den har. Og det gør det muligt for os at tale. Den vigtigste form for menneskelig kommunikation sker, når vores hjerner sender information til andre hjerner gennem komplekse mønstre af lufttryksbølger. Har du nogensinde stoppet op og tænkt over, hvor utroligt det er?
Jeg var ved at gå videre, men undskyld, jeg kan ikke komme over det her. Næste gang du taler med nogen, vil jeg gerne have dig til at stoppe op og tænke over, hvad der sker. Din hjerne har en tanke. Den oversætter den tanke til et mønster af trykbølger. Så sender dine lunger luft ud af din krop, men mens du gør det, vibrerer du dine stemmebånd på den helt rigtige måde, og du bevæger din mund og tunge i de helt rigtige former, så når luften forlader dig, er den indlejret med et mønster af høj- og lavtryksområder. Koden i denne luft spredes derefter ud til al luften i nærheden, hvoraf en lille smule ender i din vens øre, hvor den passerer forbi hans trommehinde. Når den gør det, vibrerer den deres trommehinde på en sådan måde, at den ikke blot videregiver koden, men også præcis hvor i rummet den kom fra og den særlige tone, den kom med. Trommehindevibrationerne overføres gennem tre små knogler og ind i en lille væskesæk, som derefter overfører informationen til elektriske impulser og sender dem op ad hørenerven og ind i hjernen, hvor informationen afkodes. Og alt dette sker på en ottendedel af et sekund, uden nogen anstrengelse fra nogen af jer. At tale er et mirakel.
Og som helst-
Oøret kan skelne mange kvaliteter ved en lyd, det hører, men to af de mest grundlæggende er tonehøjde og lydstyrke.
Højde
Højde handler om bølgelængde – dvs. hvor langt trykbølgerne er fra hinanden:7
Desto kortere bølgelængde, desto højere tonehøjde. Mennesker kan høre frekvenser så lave som 20 Hz (hvilket er en 56 ft / 17 m lang bølge) og så høje som 20.000 Hz (.7 in / 1,7 cm). Med alderen mister man evnen til at høre de højeste tonehøjder, så de fleste af jer hører sandsynligvis ingenting, når I lytter til de frekvenser, der nærmer sig 20.000 Hz (din hund vil være uenig). Men du har lettere ved at høre den laveste del af området.8 Grunden til, at du kan føle lave lyde, som f.eks. lave bastoner i musik, er, at bølgelængden er så lang, at det faktisk tager 1/20 af et sekund for en fuld bølge at passere din krop (deraf 20 Hz).34
Lydstyrke
Lydstyrken5 af en lyd, vi hører, bestemmes af trykbølgernes amplitude. I animationen ovenfor har de afbildede høje og lave lyde den samme lydstyrke, fordi trykkurverne nederst i animationen er lige store i lodret retning. Højere lyde har en større svingning mellem bølgens lav- og højtryksdele – dvs. høje lyde har højere højtryksdele og lavere lavtryksdele end stille lyde.
For lyde gennem luften på Jordens overflade er gennemsnittet af højtryks- og lavtryksdelene af bølgen vores normale atmosfæriske tryk – det, vi kalder 1 “atmosfære” af tryk. Så en lydbølge kan have en højtrykskomponent på 1,0001 atmosfære og en lavtrykskomponent på 0,9999 atmosfære, og en højere lyd kan i stedet være 1,01/.99 – men i begge tilfælde er gennemsnittet af de to 1 atmosfære.
Vi måler ofte lydstyrken ved hjælp af en enhed kaldet decibel (opkaldt efter Alexander Graham Bell). Hvis du vil blive forvirret, kan du læse Wikipedia-siden om decibel. Det er en super klam enhed. Og i stedet for at kede os begge med at forklare den, så lad os bare tale om, hvordan vi bruger decibel til at måle lyd.
Lydstyrkeskalaen har et meget lille minimum. De svageste lyde er langt blødere end noget menneske kan høre – selv blødere end nogen af vores fineste videnskabelige instrumenter kan registrere. Men afhængigt af, hvor man befinder sig, har lyden et hårdt maksimum. Årsagen er, at lyd ikke er en ting i sig selv – det er en trykbølge, der bevæger sig gennem et medium. Og da, som vi talte om, gennemsnittet af lydbølgens høje og lave trykpunkt skal være det normale tryk i mediet, er lydstyrken begrænset af det faktum, at det lave trykpunkt til sidst rammer nultryk – et vakuum. Da lavtrykket ikke kan gå længere ned, bestemmer dette punkt den maksimale amplitude af en lydbølge og den højeste lyd, en lyd kan være på et givet sted.
Det praktiske ved decibel (dB) er, at den absolut svageste lyd, der kan opfattes af det menneskelige øre, pr. definition er 0 dB – vi kalder det “høretærsklen”. Forskere gør deres bedste for at studere lyde langt ned på den negative decibelskala, og der findes menneskeskabte rum på Jorden, der registrerer så lavt som -9,4 dB – hvor der er så stille, at man kan høre blodet pumpe gennem ens egen hjerne – men vi kan kun høre lyde i de positive dB. Den højeste lyd, som en vedvarende lyd kan være på Jordens overflade, er 194 dB – det er når lydbølgens amplitude er så intens, at lavtryksdelen er et perfekt vakuum (bølgen skifter mellem det dobbelte af det normale atmosfæriske tryk og ingen luft overhovedet – ikke noget, man ønsker at være til stede under). Lad os tage et kig på hele skalaen og starte med de virkelig stille.
En ting, man skal huske på, er, at med decibel er hver stigning på 10 dB en fordobling af lydstyrken. Så 20 dB er dobbelt så højt som 10 dB, 30 dB er fire gange så højt som 10 dB, og 80 dB er 128 gange højere end 10 dB. 69
Skalaen stopper ved 194, fordi der ikke findes noget, der er højere lyd på Jordens overflade. Men vi kan gå videre herfra på to måder:
1) Stødbølger
Når der frigives nok energi til at passere 194 dB-grænsen, er det for meget til at skabe en vedvarende trykbølge, fordi vi har nået bunden ved lavt tryk – men der sker stadig ting. Meget, meget intense ting.
Ved 194 dB er der en maxbølge, der veksler mellem det dobbelte af det normale tryk og et totalt vakuum – men når vi når op på 195 dB, holder energien op med at bevæge sig gennem luften og begynder at skubbe luften udad med et ekspanderende vakuum. Jo flere dB over 194 dB der er, jo mere vidtrækkende og mere påvirkelig vil denne vakuumboble være. Den udvider sig udad som en hurtigt voksende halvkugle:10
På kanten af boblen er der en barriere af superkomprimeret gas, og når denne barriere fejer hen over jorden, flader den normalt alt, hvad der er på dens vej:11
I takt med at halvkuglen udvider sig, mister den energi og opløses til sidst. Men hvis du befandt dig i en chokbølges vej, før det skete, ville du få det dårligt. For det første ville slaget fra den superkomprimerede barriere være som at ramme en murstensvæg (på samme måde og af samme grund som at falde på vand fra en bro er som at falde på beton). For det andet er komprimeret luft varm. For det tredje ville den ikke bare ramme alle dele af din krop, den ville gå gennem din krop, og hvis den var kraftig nok, kunne den forvandle dine knogler til pulver og dine organer til suppe.
Her er nogle berømte 194dB+ begivenheder:
Saturn V opsendelse: Saturn V var et bæst, og lydbølgerne fra dens opsendelser var så intense, at de kunne sætte ild til græs på en kilometers afstand. Selv på tre kilometers afstand ville en observatør opleve en øredøvende lyd på 135 dB.12 Raketaffyringer skaber så kraftig en lyd, at rumfartsorganisationer oversvømmer affyringsrampen med vand, når raketten affyres, for at absorbere lyden, så trykbølgens kraft ikke beskadiger raketten.
Hiroshima- og Nagasakibomberne: Ifølge de kilder, jeg har læst, lød de på langt over 200 dB. Stødbølgen var så ladet, at den rejste 7 mi / 11 km på 30 sekunder.
Vulkanudbruddet på Krakatoa i 1883:13 Jeg er overvældet af den mængde ting, jeg skal fortælle dig om Krakatoa. Lad os lave kugler.
- Krakatoa er en ø i Indonesien, og udbruddet skete den 27. august 1883.
- Udbruddet udslettede øen fuldstændigt og sendte en enorm mængde vragrester 27 km højt op mod himlen med en halv mil i sekundet. Det forårsagede også en af de mest dødbringende og vidtrækkende tsunamier i historien. I alt dræbte udbruddet 36.000 mennesker.
- Men det mest fantastiske ved udbruddet var dets lyd. Det lavede den vel nok højeste lyd på Jorden i moderne historie.
- Det var så højt, at chokbølgen strakte sig langt nok til at sprænge trommehinderne på sømænd 40 sømil væk.
- 100 sømil væk var lyden stadig 172 dB, nok til at ødelægge nogens ører permanent eller endda slå dem ihjel. Uanset hvor du befinder dig, så tænk på et sted, der er ca. 161 km (100 miles) væk. Forestil dig nu, at der sker noget dér, der forårsager en lyd så høj, hvor du er, at hvis du skreg af dine lungers fulde kraft direkte ind i nogens øre, når lyden ramte, ville de ikke være i stand til at høre, at du gjorde det. Til sammenligning var lyden fra Saturn V’s opsendelse 170 dB på 100 meters afstand. Krakatoa var højere end det 100 miles væk.
- Lyden knækkede en 30 fod tyk betonvæg på 483 km afstand.
- Lyden blev hørt helt til Australien (hvor det lød som en fjern kanonkugle, der blev affyret) og endda så langt væk som til Rodrigues Island, 3.000 miles væk. 3.000 miles væk. Jeg befinder mig i øjeblikket i New York. Tænk, hvis der skete noget i Californien eller i Europa, som jeg kunne høre i New York. Det kan jeg ikke engang.
- Når lyden til sidst kom så langt væk, at mennesker ikke længere kunne høre den, gik barometre over hele verden amok i de næste par dage, da lydbølgerne kredsede om Jorden 3,5 gange.
- Til sidst, kender du det berømte maleri The Scream? Nå, du ved, hvordan himlen er helt rød af en eller anden grund? Himlen er rød, fordi maleren Edvard Munch blev inspireret til at male det efter at have set den Krakato-forårsagede røde himmel over hele den vestlige halvkugle i året efter udbruddet.
Det var et stort udbrud.
2) Andre medier
Der kan være højere lyd end 194 dB – bare ikke på Jordens overflade. Der kan være højere lyde i havet, på landjorden eller på andre planeter. Gasgiganterne i vores solsystem har for eksempel en tættere atmosfære end Jordens, hvilket giver mulighed for højere amplituder af trykbølger, og med utroligt hurtige vinde og kraftige storme er der masser af muligheder der for at lave høje ting.
Det, der ikke larmer, er næsten alt andet i rummet. Du har sikkert hørt udtrykket: “Lyd bevæger sig ikke i et vakuum”, men det giver mening nu, ikke? Lyd er trykbølger gennem stof. Hvis der ikke er noget stof, er der heller ingen lyd. Der kan være enorm varme og stråling og kraft, men for et observerende menneske i nærheden er det hele dødsstille.
Hvis der hypotetisk set var luft, der fyldte universet, så ville tingene pludselig blive meget høje. Glem det skræmmende begreb om lyden af en supernova – bare den dumme sol, der sidder der og hænger ud, ville lyde med forbløffende 290 dB. Ifølge en solfysiker ville vi på Jorden kunne høre det som en 100 dB-lyd – lydstyrken af en motorcykel – hele tiden, hver dag, overalt. Vær glad for, at lyd ikke bevæger sig i et vakuum.
En sidste tanke-
Det at researche til dette indlæg og lære om, hvad lyd er, gav mig et nyt perspektiv på det træ, der falder i skoven, uden at der er nogen til at høre det spørgsmål. Jeg tror nu, at nej, det laver ikke en lyd. Det laver en lufttryksbølge, og det er det hele. Begrebet lyd er pr. definition et biologisk væsens opfattelse af trykbølgen – og hvis der ikke er nogen ører til at opfatte trykbølgen, så er der ingen lyd. Det svarer lidt til at spørge: “Hvis mennesker uddør, og der et sted i de postapokalyptiske murbrokker ligger et foto af en smuk kvinde – er hun så stadig smuk?” Det tror jeg på en måde ikke, at hun er. For det eneste, der er smukt ved hende, er, at mennesker fandt hende smuk, og uden mennesker er hun ikke mere smuk end den kvindelige bille et par meter væk, der roder rundt i murbrokkerne. Ikke sandt?
___________
Tre ting, jeg vil have dig til at læse:
Hvis du er til Wait But Why, så skriv dig op på Wait But Why’s e-mail-liste, så sender vi dig de nye indlæg, lige når de kommer ud. Det er bedre end at skulle tjekke siden og spekulere!
Hvis du gerne vil støtte Wait But Why, så er her vores Patreon.
Og hele Elon Musk-postserien er nu tilgængelig som e-bog.
___________
Hvis du kunne lide dette, så er her et par flere Wait But Why-forklaringer:
Hvordan Tesla vil ændre verden
Den kunstige intelligensrevolution: The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Kilder
De fantastiske GIFS: Dan Russell og ISVR
CDC: Forebyggelse af støj og høretab
US Department of Labor: Occupational Noise Exposure
Nautil.us: Occupational Noise Exposure
Nautil.us: The Sound So Loud So Loud That It Circled the Earth Four Times
UNSW: What is a Decibel?
Decibelcar.com: Hvad er en decibel?
Decibelcar.com: Decibel Equivalent Table
Make it Louder: Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table
NASA: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: It Might Might Get Loud: The 10 Loudest Rock Bands of All Time
GC Audio: The 10 Loudest Rock Bands of All Time
GC Audio: Decibel (Loudness) Comparison Chart
Mathpages.com: Decibel (Loudness) Comparison Chart
Mathpages.com: The Speed of Sound
Turn it to the Left: Noise Levels
Extreme Tech: The Speed of Sound
Turn it to the Left: Noise Levels
Extreme Tech: Kan en høj nok lyd slå dig ihjel?
Abelard.com: Loudproof Cow: Loudproof Cow: Loudproof Cow: Loudest Sound Ever Heard
Chalmers: Loudest Sound Ever Heard
Chalmers: Quantum microphone captures extremely weak sound
born.gov.au: Udbruddet af Krakatoa, 27. august 1883