Tämä postaus on osa miniviikkoa, jossa julkaisen uuden minipostauksen, mutta en varsinaisesti minipostausta, kuten käy ilmi, joka arkipäivä tällä viikolla.
___________
Olen aina ollut hieman hämmentynyt äänestä. Niinpä ”tiistain” ”mini”-postauksessa päätin tehdä siitä jotain.
Me ajattelemme äänen olevan jotain, jonka kuulemme – jotain, joka pitää ääntä. Mutta puhtaasti fysiikan kannalta ääni on vain värähtelyä, joka kulkee aineen läpi.
Tapa, jolla värähtely ”kulkee” aineen läpi, on ääniaallon muodossa. Kun ajattelet ääniaaltoja, ajattelet luultavasti jotakin tällaista:1
Mutta ääniaallot eivät toimi näin. Tällaista aaltoa kutsutaan poikittaisaalloksi, jossa jokainen yksittäinen hiukkanen liikkuu ylös ja alas luoden käärmetilanteen.
Ääniaalto muistuttaa enemmänkin kastematotilannetta:2
Kuten kastemato, ääni liikkuu puristumalla ja purkautumalla. Tätä kutsutaan pitkittäisaalloksi. Slinky voi tehdä molempia aaltoja:13
Ääni lähtee liikkeelle jonkinlaisesta värähtelystä, joka synnyttää aineen läpi pitkittäisaallon. Katso tätä:4
Tältä ääni näyttää – paitsi että kuvittele laajeneva pallojen aaltoilu tekevän noin. Tässä animaatiossa ääniaallon synnyttää tuo värähtelevä harmaa palkki vasemmalla. Palkki voi olla äänijänteesi, kitaran jousi tai vesiputous, joka syöksyy jatkuvasti alas alla olevaan jokeen. Katsomalla punaisia pisteitä näet, että vaikka aalto liikkuu yhteen suuntaan, jokainen yksittäinen hiukkanen liikkuu vain edestakaisin, jäljitellen harmaan palkin värähtelyä.
Käyränmuotoisen käärmeaallon sijaan ääni on siis paineaalto, joka saa aikaan sen, että kukin ilmapala on joko normaalia korkeammassa tai alemmassa paineessa. Kun näet siis käärmemäisen havainnollistuksen ääniaallosta, se viittaa paineen mittaukseen, ei kirjaimellisesti hiukkasten liikerataan:5
Älyaallot voivat kulkea ilman läpi, mikä on se tapa, jolla me yleensä koemme sen. Mutta ne voivat kulkea myös nestemäisen2 tai kiinteän aineen läpi – suuri osa maanjäristyksen aikana tapahtuvasta tärinästä on seurausta siitä, että valtava ääniaalto viuhuu maan läpi (tällöin särön liike palvelee harmaina ja punaisina palkkeina yllä olevissa animaatioissa).
Mutta entä äänen nopeus? No se riippuu siitä, kuinka nopeasti paineaalto voi liikkua tietyssä väliaineessa. Nestemäisempi väliaine, kuten ilma, on hyvin kokoonpuristuva, joten aallon liikkuminen kestää kauemmin, kun taas vesi on paljon vähemmän kokoonpuristuva, joten siinä on vähemmän ”annettavaa” aallon hidastamiseksi. Se on kuin kaksi ihmistä, jotka pitävät ojennettua slinkyä välissään – jos toinen työntää päätään toista kohti, aalto kulkee vähän aikaa slinkyä pitkin, ennen kuin toinen tuntee sen. Mutta jos nämä kaksi ihmistä pitävät kädessään luudanvarsi, kun toinen työntää, toinen tuntee sen välittömästi, koska luudanvarsi on paljon vähemmän kokoonpuristuva.6
Siten on järkeenkäypää, että äänen nopeus ilmassa (768 mailia tunnissa / 1234 kilometrin tuntinopeus normaaliolosuhteissa) on noin neljä kertaa hitaampi kuin äänen nopeus vedessä, joka puolestaan on noin neljä kertaa hitaampi kuin äänen nopeus kiinteän kappaleen, kuten raudan, läpi kulkevan äänen nopeus.
Takaisin meihin itseemme ja kuuloon. Korvat ovat evoluution innovaatio, jonka ansiosta pystymme rekisteröimään ääniaaltoja ympärillämme olevassa ilmassa ja käsittelemään niitä informaationa – ilman korvia suurin osa ääniaalloista olisi ihmiselle huomaamattomia, ja vain kovaäänisimmät äänet tuntuisivat värähtelynä ihollamme. Korvat antavat meille maagisen kyvyn aistia pienetkin ääniaallot niin vivahteikkaasti, että se voi yleensä kertoa meille tarkalleen, mistä ääni tulee ja mikä sen merkitys on. Ja sen avulla voimme puhua. Tärkein inhimillisen viestinnän muoto tapahtuu, kun aivomme lähettävät tietoa toisille aivoille monimutkaisten ilmanpaineaaltokuvioiden välityksellä. Oletko koskaan pysähtynyt miettimään, miten uskomatonta se on?
Olin juuri siirtymässä eteenpäin, mutta anteeksi, en pääse tästä yli. Seuraavan kerran, kun puhut jonkun kanssa, haluan, että pysähdyt ja mietit, mitä tapahtuu. Aivoissasi on ajatus. Ne muuttavat ajatuksen paineaaltokuvioiksi. Sitten keuhkosi lähettävät ilmaa ulos kehostasi, mutta samalla värähtelet äänijänteitasi juuri oikealla tavalla ja liikutat suutasi ja kieltäsi juuri oikeisiin muotoihin niin, että kun ilma poistuu sinusta, siihen on upotettu korkea- ja matalapainealueiden kuvio. Tuon ilman koodi leviää sitten kaikkeen lähistöllä olevaan ilmaan, josta pieni osa päätyy ystäväsi korvaan, jossa se kulkee hänen tärykalvonsa ohi. Tällöin se värähtelee hänen tärykalvolleen siten, että se välittää koodin lisäksi myös tarkalleen sen, mistä päin huonetta se on tullut ja millä äänensävyllä se on tullut. Tärykalvon värähtelyt välittyvät kolmen pienen luun kautta pieneen nestepussiin, joka välittää tiedot sähköisiksi impulsseiksi ja lähettää ne kuulohermoa pitkin aivoihin, jossa tiedot puretaan. Kaikki tämä tapahtuu sekunnin kahdeksasosassa ilman, että kumpikaan teistä ponnistelee. Puhuminen on ihme.
Jokatapauksessa-
Korva pystyy erottamaan kuulemastaan äänestä monia ominaisuuksia, mutta kaksi perustavanlaatuisinta ovat sävelkorkeus ja äänenvoimakkuus.
Korkeus
Korkeudessa on kyse aallonpituudesta eli siitä, kuinka kaukana toisistaan paineaallot ovat:7
Mitä lyhyempi aallonpituus, sitä korkeampi ääni. Ihminen voi kuulla niinkin matalia taajuuksia kuin 20 Hz (joka on 56 ft / 17 m pitkä aalto) ja niinkin korkeita kuin 20 000 Hz (.7 in / 1,7 cm). Iän myötä kyky kuulla korkeimmat äänenkorkeudet heikkenee, joten useimmat teistä eivät luultavasti kuule mitään, kun kuuntelette taajuuksia, jotka lähestyvät 20 000 Hz:iä (koirasi on eri mieltä). Sinun on kuitenkin helpompi kuulla taajuusalueen alimmat osat.8 Syy siihen, että voit tuntea matalat äänet, kuten musiikin matalat bassosävelet, on se, että aallonpituus on niin pitkä, että koko aallon kulkeminen kehosi ohi kestää itse asiassa 1/20 sekunnin (siis 20 Hz).34
Kovaäänisyys
Kuuluvan äänen voimakkuus5 määräytyy paineaaltojen amplitudin perusteella. Yllä olevassa animaatiossa kuvatuilla korkeilla ja matalilla äänillä on sama äänekkyys, koska animaation alareunassa olevat painekäyrät ovat samankokoisia pystysuunnassa. Kovemmilla äänillä on suurempi värähtely aallon matalan ja korkean paineen osien välillä – eli kovilla äänillä on korkeampi korkeapaineinen ja matalampi matalapaineinen osa kuin hiljaisilla äänillä.
Maailman pinnalla ilman läpi kulkevien äänien osalta aallon korkeapaineisen ja matalapaineisen osan keskiarvo on normaali ilmanpaineemme – sitä, mitä kutsumme 1 ”ilmakehän” paineeksi. Ääniaallon korkeapaineosa voi siis olla 1,0001 ilmakehää ja matalapaineosa 0,9999 ilmakehää, ja äänekkäämpi ääni voi sen sijaan olla 1,01/,99 – mutta molemmissa tapauksissa näiden kahden keskiarvo on 1 ilmakehä.
Mittaamme usein äänekkyyttä käyttäen yksikköä nimeltä desibeli (nimetty Alexander Graham Bellin mukaan). Jos haluat hämmentyä, lue Wikipedian sivu desibelistä. Se on super ällöttävä yksikkö. Ja sen sijaan, että ikävystyttäisi meitä molempia selittämällä sitä, puhutaan vain siitä, miten käytämme desibelejä äänen mittaamiseen.
Äänekkyyden asteikolla on hyvin pieni minimi. Hienoimmat äänet ovat paljon hiljaisempia kuin kukaan ihminen voisi kuulla – jopa hiljaisempia kuin mikään hienoimmista tieteellisistä laitteistamme voisi havaita. Mutta riippuen siitä, missä olet, äänellä on kova maksimi. Tämä johtuu siitä, että ääni ei ole asia sinänsä – se on väliaineen läpi liikkuva paineaalto. Ja koska, kuten puhuimme, ääniaallon korkeimman ja matalimman painepisteen keskiarvon on oltava väliaineen normaali paine, äänekkyyttä rajoittaa se, että lopulta matalimman painepisteen paine laskee nollaan – tyhjiöön. Koska matalapaine ei voi laskea yhtään alemmas, tämä piste määrittää ääniaallon maksimiamplitudin ja sen, kuinka kovaa ääni voi olla missäkin paikassa.
Desibeleissä (dB) on kätevää se, että absoluuttisesti heikoin ihmiskorvan havaitsema ääni on määritelmän mukaan 0 dB – kutsumme sitä ”kuulokynnykseksi”. Tutkijat tekevät parhaansa tutkiakseen ääniä pitkälle negatiiviselle desibeliasteikolle, ja maapallolla on keinotekoisia huoneita, joissa rekisteröidään jopa -9,4 dB – joissa on niin hiljaista, että voit kuulla veren pumppaavan omien aivojesi läpi – mutta me voimme kuulla ääniä vain dB:n positiivisissa arvoissa. Kestävä ääni voi olla maan pinnalla voimakkaimmillaan 194 dB – silloin ääniaallon amplitudi on niin voimakas, että matalapaineinen osa on täydellinen tyhjiö (aalto vaihtelee kaksinkertaisen normaalin ilmakehän paineen ja ilman ilmanpaineen välillä – tämä ei ole jotakin, mitä haluatte kuulla). Katsotaanpa koko asteikkoa, aloittaen todella hiljaisesta.
Yksi asia, joka on pidettävä mielessä, on se, että desibeleissä jokainen 10 dB:n lisäys kaksinkertaistaa äänekkyyden. Niinpä 20 dB on kaksi kertaa niin kovaa kuin 10 dB, 30 dB on neljä kertaa niin kovaa kuin 10 dB ja 80 dB on 128 kertaa kovempi kuin 10 dB.69
Asteikko pysähtyy arvoon 194, koska maapallon pinnalla ei ole kovempaa ääntä. Voimme kuitenkin ylittää tämän rajan kahdella tavalla:
1) Iskuaallot
Kun energiaa vapautuu niin paljon, että se ylittää 194 dB:n rajan, se on liikaa synnyttääksemme pysyvää paineaaltoa, koska olemme pysähtyneet matalapaineeseen – mutta asioita tapahtuu silti. Hyvin, hyvin voimakkaita asioita.
194 dB:n kohdalla on maksimissaan aalto, joka vaihtelee kaksinkertaisen normaalipaineen ja täydellisen tyhjiön välillä – mutta kun päästään 195 dB:iin, energia lakkaa liikkumasta ilman läpi ja alkaa työntää ilmaa ulospäin laajenevassa tyhjiössä. Mitä enemmän dB:iä on yli 194, sitä kauemmas ulottuva ja vaikutuksiltaan suurempi tyhjiökupla on. Se laajenee ulospäin nopeasti kasvavana puolipallona:10
Kuplan reunalla on superkompressoituneesta kaasusta koostuva este, ja kun tämä este pyyhkäisee maan yli, se tavallisesti litistää kaiken, mikä on sen tiellä:11
Puoliskon laajentuessa se menettää energiaa ja lopulta hajoaa. Mutta jos löytäisit itsesi paineaallon tieltä ennen kuin se tapahtuu, sinulle kävisi huonosti. Ensinnäkin superkompressoituneen esteen isku olisi kuin törmäisi tiiliseinään (samalla tavalla ja samasta syystä sillalta veteen putoaminen on kuin putoaminen betoniin). Toiseksi, paineilma on kuumaa. Kolmanneksi, se ei vain osuisi kaikkiin kehon osiin, vaan kulkisi kehon läpi, ja jos se olisi tarpeeksi voimakas, se voisi muuttaa luut jauheeksi ja elimet keitoksi.
Tässä on joitakin kuuluisia 194dB+ tapahtumia:
Saturn V:n laukaisu: Saturn V oli peto, ja sen laukaisujen ääniaallot olivat niin voimakkaita, että ne saattoivat sytyttää ruohon tuleen kilometrin päästä. Jopa kolmen mailin etäisyydeltä tarkkailija koki korvia särkevän 135 dB:n äänen.12 Rakettien laukaisut aiheuttavat niin voimakkaan äänen, että avaruusjärjestöt tulvivat laukaisualustalle vettä raketin laukaisun aikana vaimentaakseen äänen, jotta paineaallon voima ei vahingoittaisi rakettia.
Hiroshiman ja Nagasakin pommit: Lukemieni lähteiden mukaan niiden ääni oli reilusti yli 200 dB. Paineaalto oli niin voimakas, että se kulki 7 mailia / 11 kilometriä 30 sekunnissa.
Krakatoa-tulivuoren purkaus vuonna 1883:13 Olen hukkua siihen määrään asioita, joita minun täytyy kertoa sinulle Krakatoasta. Tehdäänpä luoteja.
- Krakatoa on saari Indonesiassa, ja tulivuorenpurkaus tapahtui 27. elokuuta 1883.
- Purkaus tuhosi saaren täysin, ja se lähetti valtavan määrän romua 17 mailin (27 km) korkeuteen taivaalle puolen mailin sekuntinopeudella. Se aiheutti myös yhden historian tappavimmista ja kauaskantoisimmista tsunameista. Kaikkiaan purkaus tappoi 36 000 ihmistä.
- Mutta hämmästyttävintä purkauksessa oli sen ääni. Se aiheutti kiistatta maapallon nykyhistorian kovaäänisimmän äänen.
- Se oli niin kovaääninen, että paineaalto ulottui niin kauas, että se puhkaisi 40 mailin päässä olevien merimiesten tärykalvot.
- Sadan mailin päässä ääni oli edelleen 172 dB, mikä riitti tuhoamaan jonkun korvat pysyvästi tai jopa tappamaan hänet. Missä ikinä oletkin, ajattele paikkaa, joka on noin 161 kilometrin (100 mailin) päässä. Kuvittele nyt, että siellä tapahtuu jotain, joka aiheuttaa niin kovan äänen siellä, missä olet, että jos huutaisit täysillä suoraan jonkun korvaan, kun ääni osuu sinne, hän ei kuulisi, että teit sen. Vertailun vuoksi: Saturn V:n laukaisuääni oli 170 dB 100 metrin päässä. Krakatoa oli korkeampi 100 mailin päässä.
- Ääni halkaisi metrin paksuisen betoniseinän 300 mailin (483 km) päässä.
- Ääni kuului Australiassa asti (jossa se kuulosti kuin kaukaa ammuttu kanuunankuula) ja jopa Rodriguesin saarella, 3 000 mailin päässä. 3,000 mailin päässä. Olen tällä hetkellä New Yorkissa. Kuvitelkaa, jos Kaliforniassa tai Euroopassa tapahtuisi jotain sellaista, jonka voisin kuulla New Yorkissa. En edes voi.
- Kun ääni lopulta pääsi niin kauas, etteivät ihmiset enää kuulleet sitä, barometrit kaikkialla maailmassa sekosivat seuraavien päivien ajan, kun ääniaallot kiersivät maapallon 3,5 kertaa.
- Loppujen lopuksi, tunnetko kuuluisan maalauksen Huuto? No tiedätkö miten taivas on jostain syystä ihan punainen? Taivas on punainen, koska taidemaalari Edvard Munch innostui maalaamaan sen nähtyään Krakatoan aiheuttaman punaisen taivaan kaikkialla läntisellä pallonpuoliskolla purkauksen jälkeisenä vuonna.
Se oli suuri purkaus.
2) Muut mediat
Mahdollisesti voi olla kovempaa ääntä kuin 194 dB- ei vain maan pinnalla. Meressä, maalla tai muilla planeetoilla voi olla kovempia ääniä. Esimerkiksi aurinkokuntamme kaasujättiläisillä on Maata tiheämpi ilmakehä, joka mahdollistaa suuremmat paineaaltoamplitudit, ja uskomattoman nopeiden tuulien ja voimakkaiden myrskyjen ansiosta siellä on paljon mahdollisuuksia tehdä äänekkäitä asioita.
Mitä ei ole äänekästä, on lähes kaikki muu avaruudessa. Olet varmaan kuullut termin: ”Ääni ei kulje tyhjiössä”, mutta siinä on nyt järkeä, eikö? Ääni on paineaaltoja aineen läpi. Jos ei ole materiaa, ei ole ääntä. Siellä voi olla valtavasti lämpöä, säteilyä ja voimaa, mutta lähistöllä olevalle havainnoivalle ihmiselle kaikki on aivan äänetöntä.
Jos hypoteettisesti maailmankaikkeus täyttyisi ilmasta, asiat muuttuisivat yhtäkkiä hyvin äänekkäiksi. Unohda kauhistuttava käsite supernovan ääni – pelkkä tyhmä aurinko, joka istuu siellä roikkumassa, soisi hämmästyttävän 290 dB:n äänen. Erään aurinkofyysikon mukaan maapallolla kuulisimme sen 100 dB:n äänenä – moottoripyörän äänenvoimakkuutena – koko ajan, joka päivä, kaikkialla. Olkaa onnellisia siitä, että ääni ei kulje tyhjiössä.
Viimeinen ajatus-
Tutkimus tätä viestiä varten ja oppiminen siitä, mitä ääni on, antoi minulle uuden näkökulman puun putoamiseen metsässä, kun kukaan ei ole paikalla kuulemassa sitä kysymystä. Olen nyt sitä mieltä, että ei, se ei pidä ääntä. Se tekee ilmanpaineaallon ja siinä kaikki. Äänen käsite on määritelmän mukaan biologisen olennon havainto paineaallosta – ja jos paikalla ei ole korvia, jotka havaitsisivat paineaallon, ääntä ei ole. Se on vähän kuin kysyisi: ”Jos ihmiset kuolevat sukupuuttoon, ja jossain maailmanlopun jälkeisten raunioiden joukossa on valokuva kauniista naisesta, joka makaa siellä – onko hän edelleen kaunis?”. En usko, että hän on. Koska ainoa asia, joka hänessä on kaunista, on se, että ihmiset pitivät häntä kauniina, ja ilman ihmisiä hän ei ole yhtään sen kauniimpi kuin muutaman metrin päässä oleva naaraskovakuoriainen, joka penkoo raunioita. Vai mitä?
___________
Kolme asiaa, jotka haluan sinun lukevan:
Jos olet kiinnostunut Wait But Why -kirjoittaudu Wait But Why -sähköpostilistalle, niin lähetämme sinulle uudet postaukset heti, kun ne ilmestyvät. Parempi kuin tsekata sivustoa ja ihmetellä!
Jos haluat tukea Wait But Whyta, tässä on Patreon-palvelumme.
Ja koko Elon Muskin postaussarja on nyt saatavana e-kirjana.
___________
Jos pidit tästä, tässä on muutama muu Wait But Why -selitys:
Kuinka Tesla tulee muuttamaan maailman
Tekoälyn vallankumous: The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Lähteet
Mahtavat GIFS: Dan Russell ja ISVR
CDC: Noise and Hearing Loss Prevention
US Department of Labor: Occupational Noise Exposure
Nautil.us: UNSW: Mikä on desibeli?
Decibelcar.com: Decibel Equivalent Table
Make it Louder: NASA: Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table
NASA: Gibson.com: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
: Bibson: It Might Get Loud: It Might Get Loud: The 10 Loudest Rock Bands of All Time
GC Audio: Decibel (Loudness) Comparison Chart
Mathpages.com: The Speed of Sound
Turn it to the Left: Noise Levels
Extreme Tech: Abelard.com: Voiko tarpeeksi kova ääni tappaa sinut?
Abelard.com: Aardel: Loud Music and Hearing Damage
Soundproof Cow: Äänekkäin koskaan kuultu ääni
Chalmers: Quantum microphone captures extremely weak sound
born.gov.au: Krakatoa-purkaus, 27. elokuuta 1883