Dit bericht maakt deel uit van de mini-week, waarin ik deze week elke weekdag een nieuw mini-bericht post, maar eigenlijk geen mini-bericht.
___________
Ik ben altijd een beetje in de war geweest over geluid. Dus voor “dinsdags” “mini” bericht, besloot ik daar iets aan te doen.
We denken aan geluid als iets dat we horen – iets dat geluid maakt. Maar in zuiver natuurkundige termen is geluid gewoon een trilling die door materie gaat.
De manier waarop een trilling “door” materie gaat is in de vorm van een geluidsgolf. Als je aan geluidsgolven denkt, denk je waarschijnlijk aan zoiets als dit:1
Maar dat is niet hoe geluidsgolven werken. Zo’n golf heet een transversale golf, waarbij elk afzonderlijk deeltje op en neer beweegt om een slangensituatie te creëren.
Een geluidsgolf lijkt meer op een regenwormsituatie:2
Net als een regenworm beweegt geluid door samenpersen en weer samenpersen. Dit wordt een longitudinale golf genoemd. Een slinky kan beide soorten golven doen:13
Geluid begint met een of andere trilling die een longitudinale golf door materie veroorzaakt. Kijk hier eens naar:4
Zo ziet geluid eruit – maar stel je voor dat een uitdijende rimpeling van bolletjes dat doet. In deze animatie wordt de geluidsgolf gegenereerd door die trillende grijze staaf aan de linkerkant. De balk kunnen je stembanden zijn, een gitaarsnaar, of een waterval die voortdurend naar beneden stampt in de rivier beneden. Door naar de rode stippen te kijken, kunt u zien dat, hoewel de golf in één richting beweegt, elk afzonderlijk deeltje slechts heen en weer beweegt, en zo de trilling van de grijze staaf nabootst.
In plaats van een bochtige slangengolf is geluid dus een drukgolf, die ervoor zorgt dat elk stukje lucht ofwel een hogere dan normale druk heeft, ofwel een lagere dan normale druk. Wanneer u dus een slangachtige illustratie van een geluidsgolf ziet, verwijst dat naar de maat van de druk, niet naar het letterlijke bewegingspad van de deeltjes:5
Geluidsgolven kunnen door lucht gaan, en dat is hoe wij het normaal ervaren. Maar ze kunnen ook door vloeibare2 of vaste materie gaan – veel van de schokken die tijdens een aardbeving worden veroorzaakt, zijn het resultaat van een enorme geluidsgolf die door de aarde suist (in dat geval dient de beweging van de breuk als de grijze en rode balken in de animaties hierboven).
Hoe zit het met de snelheid van het geluid? Die hangt af van hoe snel de drukgolf zich in een bepaald medium kan verplaatsen. Een medium dat vloeibaarder is, zoals lucht, is zeer samendrukbaar, zodat het langer duurt voordat de golf beweegt, terwijl water veel minder samendrukbaar is, zodat er minder “meegeeft” om de golf te vertragen. Het is net als twee mensen die een slinky tussen elkaar vasthouden – als de een zijn uiteinde naar de ander duwt, zal de golf er even over doen om langs de slinky naar beneden te bewegen voordat de ander het voelt. Maar als de twee mensen een bezemsteel vasthouden, en de een duwt, voelt de ander het onmiddellijk, omdat de bezemsteel veel minder samendrukbaar is.6
Het is dus logisch dat de geluidssnelheid in lucht (768 mph / 1,234 kmph onder normale omstandigheden) ongeveer vier keer zo laag is als de geluidssnelheid in water, die op zijn beurt ongeveer vier keer zo laag is als de geluidssnelheid door een vaste stof als ijzer.
Terug naar ons en het gehoor. Oren zijn een evolutionaire innovatie die ons in staat stelt geluidsgolven in de lucht om ons heen te registreren en als informatie te verwerken – zonder oren zouden de meeste geluidsgolven voor een mens onwaarneembaar zijn, waarbij alleen de hardste geluiden als een voelbare trilling op onze huid zouden worden geregistreerd. Oren geven ons een magisch vermogen om zelfs lichte geluidsgolven zo genuanceerd waar te nemen, dat het ons meestal precies kan vertellen waar het geluid vandaan komt en wat de betekenis ervan is. En het stelt ons in staat om te praten. De belangrijkste vorm van menselijke communicatie vindt plaats wanneer onze hersenen informatie naar andere hersenen sturen via complexe patronen van luchtdrukgolven. Heb je er ooit bij stilgestaan hoe ongelooflijk dat is?
Ik wilde net verder gaan, maar sorry, ik kan hier niet over uit. De volgende keer dat je met iemand praat, wil ik dat je stopt en nadenkt over wat er gebeurt. Je hersenen hebben een gedachte. Het vertaalt die gedachte in een patroon van drukgolven. Dan sturen je longen lucht uit je lichaam, maar terwijl je dat doet, laat je je stembanden op de juiste manier trillen en beweeg je je mond en tong in de juiste vormen, zodat tegen de tijd dat de lucht je verlaat, het is ingebed in een patroon van hoge en lage druk gebieden. De code in die lucht verspreidt zich dan naar alle lucht in de omgeving, waarvan een klein beetje in het oor van je vriend terechtkomt, waar het langs zijn trommelvlies gaat. Wanneer dit gebeurt, trilt het trommelvlies op zodanige wijze dat niet alleen de code wordt doorgegeven, maar ook precies waar in de kamer deze vandaan kwam en met welke specifieke toon van de stem deze kwam. De trillingen van het trommelvlies worden via drie kleine beentjes doorgegeven aan een kleine vloeistofzak, die de informatie vervolgens omzet in elektrische impulsen en via de gehoorzenuw naar de hersenen stuurt, waar de informatie wordt gedecodeerd. En dat alles gebeurt in een achtste van een seconde, zonder enige inspanning van een van jullie beiden. Praten is een wonder.
Hoe dan ook-
Het oor kan vele kwaliteiten onderscheiden van een geluid dat het hoort, maar twee van de meest fundamentele zijn toonhoogte en luidheid.
Pitch
Pitch heeft alles te maken met golflengte – d.w.z. hoe ver de drukgolven uit elkaar liggen:7
Hoe korter de golflengte, hoe hoger de toonhoogte. Mensen kunnen frequenties horen zo laag als 20 Hz (dat is een golf van 17 m lang) en zo hoog als 20.000 Hz (.7 in / 1.7 cm). Naarmate u ouder wordt, verliest u uw vermogen om de hoogste toonhoogten te horen, dus de meesten van u horen waarschijnlijk niets als u luistert naar frequenties in de buurt van 20.000 Hz (uw hond zal het daar niet mee eens zijn). Maar u zult het laagste deel van het bereik gemakkelijker kunnen horen.8 De reden waarom u lage geluiden kunt voelen, zoals lage bastonen in de muziek, is dat de golflengte zo lang is dat het in feite 1/20e van een seconde duurt voordat een volledige golf uw lichaam passeert (vandaar 20 Hz).34
Luidheid
De luidheid5 van een geluid dat we horen, wordt bepaald door de amplitude van de drukgolven. In de animatie hierboven hebben de afgebeelde hoge en lage tonen dezelfde luidheid, omdat de drukcurven onderaan in de animatie verticaal even groot zijn. Hardere geluiden hebben een grotere schommeling tussen de lage- en hogedrukgedeelten van de golf – m.a.w. luide geluiden hebben hogere hogedruk- en lagere lagedrukgedeelten dan stille geluiden.
Voor geluiden door de lucht aan het aardoppervlak is het gemiddelde van de hogedruk- en lagedrukgedeelten van de golf onze normale atmosferische druk – wat wij 1 “atmosfeer” druk noemen. Dus een geluidsgolf kan een hoge drukcomponent hebben van 1,0001 atmosfeer en een lage drukcomponent van .9999 atmosfeer, en een luider geluid kan in plaats daarvan 1,01/,99 zijn – maar in beide gevallen is het gemiddelde van de twee 1 atmosfeer.
We meten luidheid vaak met een eenheid die de decibel wordt genoemd (genoemd naar Alexander Graham Bell). Als je in de war wilt raken, lees dan de Wikipedia-pagina over decibels. Het is een super icky eenheid. En in plaats van ons beiden te vervelen door het uit te leggen, laten we het gewoon hebben over hoe we decibels gebruiken om geluid te meten.
De schaal van luidheid heeft een heel klein minimum. De zachtste geluiden zijn veel zachter dan een mens zou kunnen horen – zelfs zachter dan een van onze beste wetenschappelijke instrumenten zou kunnen detecteren. Maar afhankelijk van waar je bent, heeft geluid een hard maximum. De reden hiervoor is dat geluid geen ding op zich is, het is een drukgolf die door een medium beweegt. En aangezien, zoals we hebben besproken, het gemiddelde van de hoge en lage drukpunten van een geluidsgolf de normale druk van het medium moet zijn, wordt de luidheid beperkt door het feit dat het lage drukpunt uiteindelijk de nuldruk bereikt – een vacuüm. Omdat de lage druk niet lager kan, bepaalt dat punt de maximale amplitude van een geluidsgolf, en het luidste geluid dat een geluid op een bepaalde plaats kan voortbrengen.
Het handige van decibels (dB) is dat het absoluut zwakste geluid dat voor het menselijk oor waarneembaar is, per definitie 0 dB is – we noemen dat “de gehoordrempel”. Wetenschappers doen hun best om geluiden tot ver in de negatieve decibelschaal te bestuderen en er zijn door de mens gemaakte kamers op aarde die zo laag als -9,4 dB registreren – waar het zo stil is dat je het bloed door je eigen hersenen kunt horen pompen – maar wij kunnen alleen geluiden in de positieve dB’s horen. Het luidste aanhoudende geluid op aarde is 194 dB, wanneer de amplitude van de geluidsgolf zo intens is dat het lagedrukgedeelte een perfect vacuüm is (de golf wisselt af tussen het dubbele van de normale atmosferische druk en helemaal geen lucht – niet iets waar je bij wilt zijn). Laten we eens kijken naar de volledige schaal, te beginnen met de echt stille.
Een ding om in gedachten te houden is dat met decibels, elke stijging van 10 dB verdubbelt de luidheid. Dus 20 dB is twee keer zo luid als 10 dB, 30 dB is vier keer zo luid als 10 dB, en 80 dB is 128 keer zo luid als 10 dB.69
De schaal stopt bij 194 omdat een luider geluid op het aardoppervlak niet bestaat. Maar we kunnen op twee manieren verder gaan:
1) Schokgolven
Wanneer er genoeg energie vrijkomt om de 194 dB-grens te passeren, is het te veel om een aanhoudende drukgolf te creëren omdat we het dieptepunt van de lage druk hebben bereikt – maar er gebeuren nog steeds dingen. Zeer, zeer intense dingen.
Bij 194 dB is er een maximale golf die afwisselt tussen het dubbele van de normale druk en een totaal vacuüm – maar zodra we bij 195 dB komen, stopt de energie met bewegen door de lucht en begint de lucht naar buiten te duwen met een uitdijend vacuüm. Hoe meer dB’s er boven de 194 zijn, hoe verder die vacuümbolk reikt en hoe groter de impact zal zijn. De bel breidt zich uit tot een snelgroeiende halve bol:10
Aan de rand van de bel bevindt zich een barrière van supergecomprimeerd gas, en wanneer deze barrière over het land trekt, maakt ze gewoonlijk alles plat wat zich op haar pad bevindt:11
Naarmate de halve bol uitzet, verliest ze energie en vervliegt ze uiteindelijk. Maar als je je in het pad van een schokgolf zou bevinden voordat dat gebeurde, zou je een slechte tijd hebben. Ten eerste zou de impact van de supergecomprimeerde barrière zijn alsof je een stenen muur raakt (op dezelfde manier en om dezelfde reden is vallen op water van een brug als vallen op beton). Ten tweede, samengeperste lucht is heet. Ten derde zou het niet alleen alle delen van je lichaam raken, het zou door je lichaam gaan, en als het krachtig genoeg was zou het je botten in poeder kunnen veranderen en je organen in soep.
Hier zijn enkele beroemde 194dB+ gebeurtenissen:
Saturn V lancering: De Saturnus V was een beest, en de geluidsgolven van zijn lanceringen waren zo intens dat ze gras in brand konden zetten op een mijl afstand. Zelfs op een afstand van drie mijl ervaarde een waarnemer een oorverdovend geluid van 135 dB.12 Raketlanceringen maken zo’n krachtig geluid, dat ruimtevaartorganisaties het lanceerplatform vol laten lopen met water als de raket wordt gelanceerd om het geluid te absorberen zodat de kracht van de drukgolf de raket niet beschadigt.
De Hiroshima en Nagasaki bommen: Volgens de bronnen die ik las, klokten deze af op meer dan 200 dB. De schokgolf was zo krachtig dat hij in 30 seconden 7 mijl / 11 km aflegde.
De uitbarsting van de vulkaan Krakatoa in 1883:13 Ik ben overweldigd door de hoeveelheid dingen die ik je over de Krakatoa moet vertellen. Laten we kogels doen.
- Krakatoa is een eiland in Indonesië, en de uitbarsting vond plaats op 27 augustus 1883.
- De uitbarsting vernietigde het eiland volledig, en stuurde een enorme hoeveelheid puin 17 mijl (27 km) hoog de lucht in met een halve mijl per seconde. Het veroorzaakte ook een van de meest dodelijke en verreikende tsunami’s in de geschiedenis. In totaal kostte de uitbarsting aan 36.000 mensen het leven.
- Maar het meest verbazingwekkende van de uitbarsting was het geluid. Het maakte misschien wel het hardste geluid op aarde in de moderne geschiedenis.
- Het was zo luid dat de schokgolf ver genoeg reikte om de trommelvliezen van zeelieden op 40 mijl afstand te scheuren.
- 100 mijl verderop was het geluid nog steeds 172 dB, genoeg om iemands oren permanent te vernielen of zelfs te doden. Waar je ook bent, denk aan een plaats op 161 km afstand. Stel je nu voor dat daar iets gebeurt dat zo’n hard geluid veroorzaakt dat als je op het moment dat het geluid inslaat uit volle borst in iemands oor schreeuwt, hij niet kan horen dat je dat doet. Ter vergelijking, het geluid van de Saturnus V lancering was 170 dB op 100 meter afstand. Krakatau was hoger dan dat op 100 mijl afstand.
- Het geluid kraakte een voet dikke betonnen muur op 300 mijl (483 km) afstand.
- Het geluid werd gehoord helemaal in Australië (waar het klonk als een kanonskogel die in de verte werd afgevuurd) en zelfs zo ver weg als Rodrigues Island, 3.000 mijl verderop. 3.000 mijl ver. Ik ben momenteel in New York. Stel je voor dat er in Californië of Europa iets zou gebeuren dat ik in New York zou kunnen horen. Ik kan het niet eens.
- Nadat het geluid uiteindelijk ver genoeg weg was dat mensen het niet meer konden horen, werden barometers over de hele wereld de volgende dagen gek, omdat de geluidsgolven 3,5 keer om de aarde cirkelden.
- Tot slot, ken je het beroemde schilderij De Schreeuw? Je weet dat de lucht om een of andere reden helemaal rood is? De lucht is rood omdat de schilder, Edvard Munch, geïnspireerd was om het te schilderen na het zien van de Krakatau-veroorzaakte rode luchten over het hele westelijk halfrond in het jaar na de uitbarsting.
Het was een grote uitbarsting.
2) Andere media
Er kan harder geluid zijn dan 194 dB-alleen niet op het oppervlak van de aarde. Er kunnen luidere geluiden zijn in de oceaan, op het land, of op andere planeten. De gasreuzen in ons zonnestelsel hebben bijvoorbeeld een dichtere atmosfeer dan de aarde, waardoor de amplitudes van de drukgolven hoger kunnen zijn, en met ongelooflijk snelle winden en krachtige stormen zijn er daar genoeg mogelijkheden om luide dingen te maken.
Wat niet luid is, is bijna alles in de ruimte. Je hebt vast wel eens gehoord van “Geluid verplaatst zich niet in het luchtledige”, maar nu klinkt het logisch, toch? Geluid zijn drukgolven door materie. Als er geen materie is, is er ook geen geluid. Er kan immense hitte zijn, en straling, en kracht, maar voor een naburig observerend mens, is het allemaal doodstil.
Als, hypothetisch, het heelal gevuld zou zijn met lucht, dan zou het plotseling heel luid worden. Vergeet het angstaanjagende concept van het geluid van een supernova-alleen al de domme zon die daar maar wat rondhangt, zou een verbazingwekkende 290 dB produceren. Volgens een zonnefysicus zouden we dat op aarde horen als een geluid van 100 dB – het volume van een motorfiets – de hele tijd, elke dag, overal. Wees blij dat geluid niet in een vacuüm reist.
Een laatste gedachte-
Het onderzoek voor dit bericht en het leren over wat geluid is, gaf me een nieuw perspectief op de boom die valt in het bos terwijl er niemand is om het te horen vragen. Ik denk nu dat nee, hij maakt geen geluid. Hij maakt een luchtdrukgolf en dat is het. Het begrip geluid is per definitie de waarneming van de drukgolf door een biologisch wezen – en als er geen oren zijn om de drukgolf waar te nemen, is er geen geluid. Het is een beetje als vragen: “Als mensen uitsterven, en ergens in het post-apocalyptische puin ligt een foto van een mooie vrouw – is ze dan nog steeds mooi?” Ik denk eigenlijk van niet. Want het enige dat mooi aan haar is, is dat mensen haar mooi vonden, en zonder mensen, is ze niet mooier dan de vrouwelijke kever die een paar meter verderop in het puin rommelt. Juist?
___________
Drie dingen die ik wil dat je leest:
Als je van Wait But Why houdt, schrijf je dan in voor de Wait But Why email lijst en we sturen je de nieuwe berichten meteen als ze uitkomen. Beter dan om de site te controleren en af te vragen!
Als u wilt Wait But Why te steunen, hier is onze Patreon.
En de volledige Elon Musk post-serie is nu beschikbaar als een ebook.
___________
Als je dit leuk vond, hier zijn een paar meer Wait But Why uitleggers:
Hoe Tesla zal de wereld veranderen
De AI-revolutie: The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Bronnen
The awesome GIFS: Dan Russell and ISVR
CDC: Noise and Hearing Loss Prevention
US Department of Labor: Beroepsmatige blootstelling aan lawaai
Nautil.us: The Sound So Loud That It Circled the Earth Four Times
UNSW: What is a Decibel?
Decibelcar.com: Decibel Equivalent Tabel
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 Get Loud: The 10 Loudest Rock Bands of All Time
GC Audio: Decibel (Loudness) Vergelijkingskaart
Mathpages.com: De snelheid van geluid
Draai het naar links: Geluidsniveaus
Extreme Tech: Kan een luid genoeg geluid u doden?
Abelard.com: Harde muziek en gehoorbeschadiging
Soundproof Cow: Luidste geluid ooit gehoord
Chalmers: Kwantummicrofoon vangt extreem zwak geluid op
born.gov.au: De uitbarsting van Krakatoa, 27 augustus 1883