Ez a poszt a Mini hét része, ahol ezen a héten minden hétköznap egy új mini posztot teszek közzé, de valójában nem mini, mint kiderült.
___________
Mindig is kicsit zavarban voltam a hanggal kapcsolatban. Ezért a “keddi” “mini” posztban úgy döntöttem, hogy ezzel foglalkozom.
A hangra úgy gondolunk, mint valamire, amit hallunk – valamire, ami zajt kelt. De tisztán fizikai értelemben a hang csak egy rezgés, ami áthalad az anyagon.
Az a mód, ahogyan a rezgés “áthalad” az anyagon, az egy hanghullám formájában történik. Amikor hanghullámokra gondolsz, valószínűleg valami ilyesmire gondolsz:1
De a hanghullámok nem így működnek. Egy ilyen hullámot keresztirányú hullámnak nevezünk, ahol minden egyes részecske felfelé és lefelé mozog, hogy kígyózó helyzetet hozzon létre.
A hanghullám inkább egy földigiliszta helyzetéhez hasonlít:2
A földigilisztához hasonlóan a hang is úgy mozog, hogy összenyomódik és visszanyomódik. Ezt nevezzük longitudinális hullámnak. A csúzli mindkét hullámtípusra képes:13
A hang valamilyen rezgéssel kezdődik, amely hosszanti hullámot hoz létre az anyagon keresztül. Ezt nézd meg:4
Így néz ki a hang – csak képzelj el egy táguló gömbhullámot, ami ezt csinálja. Ebben az animációban a hanghullámot az a bal oldali rezgő szürke sáv hozza létre. A sáv lehet a hangszálaid, egy gitárhúr, vagy egy vízesés, amely folyamatosan zúdul lefelé a folyóba. Ha a piros pontokat nézzük, láthatjuk, hogy bár a hullám egy irányba mozog, minden egyes részecske csak előre-hátra mozog, a szürke sáv rezgését utánozva.
A hang tehát a kanyargós kígyóhullám helyett egy nyomáshullám, ami miatt a levegő egyes részecskéi vagy a normálisnál nagyobb, vagy a normálisnál kisebb nyomáson vannak. Amikor tehát a hanghullám kígyószerű ábrázolását látod, az a nyomás mértékére utal, nem pedig a részecskék szó szerinti mozgásútjára:5
A hanghullámok a levegőn keresztül haladhatnak, amit mi általában így tapasztalunk. De átmehetnek folyékony2 vagy szilárd anyagon is – a földrengés során bekövetkező rázkódások nagy része a földön keresztülsuhanó hatalmas hanghullámok eredménye (ebben az esetben a törés mozgását szolgálják a fenti animációkban a szürke és piros sávok).
Hogyan állunk a hangsebességgel? Nos, ez attól függ, hogy a nyomáshullám milyen gyorsan tud mozogni egy adott közegben. Egy folyékonyabb közeg, mint a levegő, erősen összenyomható, így a hullámnak tovább tart a mozgása, míg a víz sokkal kevésbé összenyomható, így kevesebb az “adás”, ami lelassítja a hullámot. Olyan ez, mintha két ember egy kinyújtott csúzlit tartana egymás között – ha az egyikük a másik felé tolja a végét, a hullámnak egy kis időbe telik, amíg a másik ember megérzi, hogy a hullám lefelé halad a csúzlin. De ha a két ember egy seprűnyelet tart a kezében, akkor amikor az egyik meglöki, a másik azonnal érzi, mert a seprűnyél sokkal kevésbé összenyomható.6
Az tehát logikus, hogy a hangsebesség a levegőben (768 mph / 1,234 kmph normál körülmények között) körülbelül négyszer lassabb, mint a hangsebesség a vízben, ami maga is körülbelül négyszer lassabb, mint a hangsebesség egy szilárd anyagon, például vason keresztül.
Vissza hozzánk és a halláshoz. A fül egy evolúciós újítás, amely lehetővé teszi számunkra, hogy a körülöttünk lévő levegőben lévő hanghullámokat regisztráljuk és információként feldolgozzuk – fül nélkül a legtöbb hanghullámot az ember nem érzékelné, és csak a leghangosabb hangokat érzékelnénk a bőrünkön érezhető rezgésként. A fül varázslatos képességet ad nekünk, hogy még a csekély hanghullámokat is olyan árnyaltan érzékeljük, hogy általában pontosan meg tudjuk mondani, honnan jön a hang, és mi a jelentése. És ez teszi lehetővé számunkra a beszédet. Az emberi kommunikáció legfontosabb fajtája akkor történik, amikor az agyunk a légnyomáshullámok összetett mintázatain keresztül információt küld más agyaknak. Megálltál már valaha, és elgondolkodtál azon, hogy ez mennyire hihetetlen?
Éppen tovább akartam lépni, de sajnálom, nem tudok túllépni ezen. Legközelebb, amikor beszélgetsz valakivel, szeretném, ha megállnál és elgondolkodnál azon, hogy mi történik. Az agyadnak van egy gondolata. Ezt a gondolatot lefordítja a nyomáshullámok mintájára. Aztán a tüdőd levegőt küld ki a testedből, de miközben ezt teszed, a hangszálaidat a megfelelő módon rezegteted, és a szádat és a nyelvedet a megfelelő formákba mozgatod, hogy mire a levegő elhagy téged, a magas és alacsony nyomású területek mintázatába ágyazódjon. A levegőben lévő kód aztán szétterjed a környék összes levegőjében, aminek egy kis része végül a barátod fülébe jut, ahol áthalad a dobhártyáján. Amikor ez megtörténik, úgy rezegteti a dobhártyáját, hogy nem csak a kódot adja át, hanem azt is, hogy pontosan a szoba mely pontjáról és milyen hangszínnel érkezett. A dobhártya rezgései három apró csonton keresztül egy kis folyadékzsákba jutnak, amely aztán az információt elektromos impulzusokká alakítja át, és a hallóidegen keresztül az agyba küldi, ahol az információ dekódolásra kerül. És mindez egy nyolcadmásodperc alatt történik, anélkül, hogy bármelyikőtök megerőltetné magát. A beszéd egy csoda.
Mindenesetre-
A fül a hallott hang számos tulajdonságát képes megkülönböztetni, de a két legalapvetőbb a hangmagasság és a hangerő.
A hangmagasság
A hangmagasság a hullámhosszról szól – vagyis arról, hogy a nyomáshullámok milyen messze vannak egymástól:7
Minél rövidebb a hullámhossz, annál magasabb a hangmagasság. Az emberek olyan alacsony frekvenciákat hallanak, mint 20 Hz (ami egy 56 láb / 17 m hosszú hullám) és olyan magas frekvenciákat, mint 20 000 Hz (.7 in / 1,7 cm). Ahogy öregszünk, elveszítjük a legmagasabb hangmagasságok hallásának képességét, így a legtöbben valószínűleg semmit sem hallunk, amikor a 20 000 Hz-et megközelítő frekvenciákat hallgatjuk (a kutyánk nem fog ezzel egyetérteni). A tartomány legalacsonyabb részét azonban könnyebben hallja.8 Azért érzékelheti a mély hangokat, például a mély basszushangokat a zenében, mert a hullámhossz olyan hosszú, hogy valójában a másodperc 1/20-ed része kell ahhoz, hogy egy teljes hullám áthaladjon a testén (ezért 20 Hz).34
Hangosság
A hallott hang hangosságát5 a nyomáshullámok amplitúdója határozza meg. A fenti animáción az ábrázolt magas és mély hangok azonos hangosságúak, mert az animáció alján lévő nyomásgörbék függőlegesen azonos méretűek. A hangosabb hangoknak nagyobb az ingadozása a hullám alacsony és magas nyomású részei között – azaz a hangos hangoknak magasabb a magasnyomású és alacsonyabb az alacsonynyomású része, mint a halk hangoknak.
A Föld felszínén a levegőben áthaladó hangok esetében a hullám magas és alacsony nyomású részeinek átlaga a normál légköri nyomásunk – amit 1 “légköri” nyomásnak nevezünk. Tehát egy hanghullámnak lehet 1,0001 atmoszféra magas nyomású része és 0,9999 atmoszféra alacsony nyomású része, és egy hangosabb hang lehet helyette 1,01/,99 – de mindkét esetben a kettő átlaga 1 atmoszféra.
A hangosságot gyakran a decibel nevű mértékegységgel mérjük (Alexander Graham Bell után nevezték el). Ha össze akarsz zavarodni, olvasd el a Wikipédia decibelekről szóló oldalát. Ez egy szuper undorító mértékegység. És ahelyett, hogy mindkettőnket untatnánk a magyarázatával, beszéljünk inkább arról, hogyan használjuk a decibeleket a hangok mérésére.
A hangossági skálának van egy nagyon apró minimuma. A leghalkabb hangok sokkal halkabbak, mint amennyit egy ember hallhat – még annál is halkabbak, mint amit a legkitűnőbb tudományos műszereink érzékelni tudnának. De attól függően, hogy hol vagyunk, a hangnak van egy kemény maximuma. Ennek oka az, hogy a hang önmagában nem egy dolog, hanem egy közegben mozgó nyomáshullám. És mivel, mint már említettük, a hanghullám magas és alacsony nyomáspontjainak átlagának meg kell egyeznie a közeg normál nyomásával, a hangosságot korlátozza az a tény, hogy az alacsony nyomáspont végül eléri a nulla nyomást – a vákuumot. Mivel az alacsony nyomás nem mehet lejjebb, ez a pont határozza meg a hanghullám maximális amplitúdóját, és azt, hogy milyen hangos lehet egy hang egy adott helyen.
A decibelekkel (dB) kapcsolatban az a kényelmes, hogy az emberi fül számára érzékelhető leghalványabb hang a definíció szerint 0 dB – ezt hívjuk “hallásküszöbnek”. A tudósok mindent megtesznek azért, hogy a hangokat messze a negatív decibel skálán lefelé tanulmányozzák, és vannak olyan ember alkotta helyiségek a Földön, ahol akár -9,4 dB-t is regisztrálnak – ahol olyan csend van, hogy a vér pumpálását is hallod a saját agyadban -, de mi csak a dB pozitív tartományban halljuk a hangokat. A Föld felszínén a leghangosabb tartós hang 194 dB – ez az, amikor a hanghullám amplitúdója olyan intenzív, hogy az alacsony nyomású rész tökéletes vákuum (a hullám a normál légköri nyomás kétszerese és a levegő hiánya között váltakozik – nem olyasmi, aminél jelen akarsz lenni). Nézzük meg a teljes skálát, kezdve az igazán csendesekkel.
Az egyik dolog, amit szem előtt kell tartani, hogy a decibeleknél minden 10 dB-es növekedés megduplázza a hangerőt. Tehát 20 dB kétszer olyan hangos, mint 10 dB, 30 dB négyszer olyan hangos, mint 10 dB, és 80 dB 128-szor hangosabb, mint 10 dB.69
A skála 194-nél megáll, mert ennél hangosabb hang a Föld felszínén nem létezik. De kétféleképpen is túlléphetünk ezen:
1) Lökéshullámok
Amikor elég energia szabadul fel ahhoz, hogy átlépjük a 194 dB-es határt, ez már túl sok ahhoz, hogy tartós nyomáshullámot hozzon létre, mert az alacsony nyomáson elértük a mélypontot – de attól még történnek dolgok. Nagyon, nagyon intenzív dolgok.
194 dB-nél egy maximális hullám váltakozik a normál nyomás kétszerese és a teljes vákuum között – de amint elérjük a 195 dB-t, az energia nem mozog tovább a levegőben, hanem elkezdi kifelé nyomni a levegőt egy táguló vákuummal. Minél több dB van 194 dB felett, annál messzebbre nyúlik és annál nagyobb hatású lesz ez a vákuumbuborék. Ez egy gyorsan növekvő félgömbként tágul kifelé:10
A buborék szélén egy szupersűrített gázból álló gát van, és amikor ez a gát végigsöpör a földön, általában mindent ellapít, ami az útjába kerül:11
Amint a félgömb kitágul, energiát veszít, és végül szétoszlik. De ha egy lökéshullám útjába kerülnél, mielőtt ez megtörténne, akkor rosszul járnál. Először is, a szupersűrített gát becsapódása olyan lenne, mintha téglafalnak ütköznél (ugyanúgy és ugyanezért, mintha egy hídról vízre esnél, mintha betonra esnél). Másodszor, a sűrített levegő forró. Harmadszor, nem csak a tested minden részét eltalálná, hanem átmenne a testeden, és ha elég erős lenne, akkor a csontjaidat porrá, a szerveidet pedig levessé változtatná.
Itt van néhány híres 194dB+ esemény:
Saturn V kilövés: A Saturn V egy fenevad volt, és a kilövéseiből származó hanghullámok olyan intenzívek voltak, hogy akár egy mérföldről is meggyújthatták a füvet. Még három mérföld távolságból is fülsértő 135 dB-es hangzást tapasztalhatott a megfigyelő.12 A rakétaindítások olyan erős hangot keltenek, hogy az űrügynökségek a rakéta indításakor vízzel árasztják el a kilövőállást, hogy elnyeljék a hangot, hogy a nyomáshullám ereje ne tegyen kárt a rakétában.
A hirosimai és nagaszaki bombák: Az általam olvasott források szerint ezek hangereje jóval 200 dB felett volt. A lökéshullám olyan erős volt, hogy 30 másodperc alatt 7 mérföldet / 11 km-t tett meg.
A Krakatoa vulkán 1883-as kitörése:13 El vagyok havazva, hogy mennyi mindent kell még elmondanom a Krakatoáról. Csináljunk golyókat.
- A Krakatoa egy sziget Indonéziában, és a kitörés 1883. augusztus 27-én történt.
- A kitörés teljesen megsemmisítette a szigetet, hatalmas mennyiségű törmeléket küldött 17 mérföld (27 km) magasra az égbe másodpercenként fél mérföldes sebességgel. A történelem egyik leghalálosabb és legmesszebbre ható cunamiját is okozta. A kitörés összesen 36 000 ember halálát okozta.
- De a legelképesztőbb dolog a kitörésben a hangja volt. A modern történelem során vitathatatlanul a leghangosabb hangot adta ki a Földön.
- Ez olyan hangos volt, hogy a lökéshullám elég messzire terjedt ahhoz, hogy 40 mérfölddel arrébb a tengerészek dobhártyáját is átszakítsa.
- 100 mérfölddel arrébb a hang még mindig 172 dB volt, ami elég ahhoz, hogy valakinek a fülét véglegesen tönkretegye, vagy akár meg is ölje. Bárhol is vagy, gondolj egy olyan helyre, amely körülbelül 100 mérföld (161 km) távolságra van. Most képzeld el, hogy ott történik valami, ami olyan hangos hangot okoz ott, ahol te vagy, hogy ha torkod szakadtából ordítanál közvetlenül valakinek a fülébe, amikor a hang becsapódik, az illető nem hallaná, hogy ezt teszed. Összehasonlításképpen: a Saturn V kilövésének hangja 100 méter távolságban 170 dB volt. A Krakatoa 100 mérföldre ennél magasabb volt.
- A hang 300 mérföld (483 km) távolságban megrepesztett egy méter vastag betonfalat.
- A hangot egészen Ausztráliáig hallották (ahol úgy hangzott, mintha egy távoli ágyúgolyót lőttek volna ki), és még a 3000 mérföldre lévő Rodrigues-szigetig is eljutott. 3000 mérfölddel arrébb. Én jelenleg New Yorkban vagyok. Képzeljék el, ha valami olyasmi történne Kaliforniában vagy Európában, amit én New Yorkban hallanék. Nem is tudom.”
- Miután a hang végül elég messzire jutott ahhoz, hogy az emberek már ne hallják, a barométerek az egész világon megőrültek a következő napokban, mivel a hanghullámok 3,5-szer megkerülték a Földet.”
- Végezetül, ismerik a híres festményt, A sikolyt? Hát tudod, hogy az ég valamiért csupa vörös? Az ég azért vörös, mert a festőt, Edvard Munchot az inspirálta a festmény megfestésére, miután a Krakatoa okozta vörös eget látta az egész nyugati féltekén a kitörést követő évben.
Ez egy nagy kitörés volt.
2) Más médiumok
Létezhet 194 dB-nél hangosabb hang – csak nem a Föld felszínén. Lehetnek hangosabb hangok az óceánban, a szárazföldön vagy más bolygókon. A Naprendszerünk gázóriásainak például sűrűbb a légköre, mint a Földé, ami nagyobb nyomáshullám-amplitúdókat tesz lehetővé, és a hihetetlenül gyors szelek és erős viharok miatt ott bőven van lehetőség hangos dolgok létrehozására.
Ami nem hangos, az szinte minden más az űrben. Valószínűleg hallottad már a kifejezést: “A hang nem vákuumban terjed”, de most már van értelme, ugye? A hang nyomáshullámok az anyagon keresztül. Ha nincs anyag, nincs hang sem. Lehet óriási hő, sugárzás és erő, de egy közeli megfigyelő ember számára az egész halotti csendben van.
Ha, elméletileg, levegő töltené ki az univerzumot, akkor hirtelen nagyon hangos lenne a dolog. Felejtsük el a szupernóva hangjának rémisztő fogalmát – csak a buta nap, amely ott lógva üldögél, elképesztő 290 dB hangerővel csengne be. Egy napfizikus szerint ezt a Földön 100 dB-es hangként hallanánk – ez egy motorkerékpár hangereje – mindig, minden nap, mindenhol. Örüljünk, hogy a hang nem vákuumban terjed.
Egy utolsó gondolat-
Az ehhez a poszthoz való kutatás és a hangok mibenlétének megismerése új perspektívát adott nekem az erdőben kidőlő fával kapcsolatban, amikor senki sincs ott, hogy hallja a kérdést. Most már úgy gondolom, hogy nem, nem ad ki hangot. Egy légnyomáshullámot kelt és ennyi. A hang fogalma definíció szerint egy biológiai lény érzékelése a nyomáshullámról – és ha nincsenek fülek, amelyek érzékelnék a nyomáshullámot, akkor nincs hang. Ez egy kicsit olyan, mintha azt kérdeznénk: “Ha az emberek kihalnak, és valahol az apokalipszis utáni romok között ott fekszik egy fénykép egy gyönyörű nőről – akkor is gyönyörű marad?”. Nem hiszem, hogy az lenne. Mert az egyetlen dolog, ami szép benne, az az, hogy az emberek szépnek találták, és emberek nélkül ő sem szebb, mint a pár méterrel arrébb lévő, a romok között turkáló bogárnő. Igaz?
___________
Három dolog, amit szeretném, ha elolvasnál:
Ha érdekel a Wait But Why, iratkozz fel a Wait But Why e-mail listára, és azonnal elküldjük neked az új bejegyzéseket, amikor megjelennek. Jobb, mintha az oldalt kellene nézegetned és csodálkoznod!
Ha szeretnéd támogatni a Wait But Why-t, itt a Patreon oldalunk.
És a teljes Elon Musk posztsorozat már ebookként is elérhető.
___________
Ha ez tetszett, itt van még néhány Wait But Why magyarázat:
How Tesla Will Change the World
The AI Revolution: The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Források
A félelmetes GIFS: Dan Russell és az ISVR
CDC: Zaj és halláskárosodás megelőzése
US Department of Labor: Noise and Hearing Loss Prevention (Zaj és halláskárosodás megelőzése)
US Department of Labor (Munkaügyi Minisztérium): Zaj és halláskárosodás megelőzése: A hang olyan hangos volt, hogy négyszer megkerülte a Földet
UNSW: Mi az a decibel?
Decibelcar.com: Decibel-egyenérték táblázat
Make it Louder: NASA: Végső hangnyomásszint-decibel táblázat
NASA:
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: Bibson: Lehet, hogy hangos lesz: Minden idők 10 leghangosabb rockzenekara
GC Audio: Decibel (hangerő) összehasonlító táblázat
Mathpages.com: A hangsebesség
Turn it to the Left: Noise Levels
Extreme Tech: Abelard.com: Megölhet egy elég hangos hang?
Abelard.com: Hangos zene és a halláskárosodás
Soundproof Cow: A valaha hallott leghangosabb hang
Chalmers: Kvantum mikrofon rendkívül gyenge hangot rögzít
born.gov.au: A Krakatoa kitörése, 1883. augusztus 27.