Hva er akustikk?

Akustikk - lydlære - omfatter vibrasjoner og utbredelse av disse i form av bølger som forplantes i alle typer materie - både ved hørbare og ikke-hørbare frekvenser. Dette spenner fra nanofysikk til kosmisk fysikk. Moderne akustikk er en vitenskap i rask utvikling og med svært mange viktige samfunnsmessige og industrielle bruksområder.

Foruten talekommunikasjon, musikk, støy og bygningsakustikk, omfatter dette også ekkolodd, sonar, metoder og utstyr for medisinsk diagnostikk og terapi, ultralyd måleinstrumentering for olje og gass, akustisk reservoarevaluering, rensing og stimulering, seismikk, overvåkning av jordskjelv og underjordiske atombombeprøver, målemetoder på nanonivå, vibrasjoner av himmellegemer og interstellar materie, for å nevne noen områder.

Lyd  

Lyd omgir oss fra vugge til grav. Den er uten tvil den viktigste måten mennesker kommuniserer på. Men hva er lyd engentlig? De fleste har nok hørt at lyd er en type bølger som brer seg gjennom luften. Noen vet kanskje også at vi kaller disse bølgene "longitudinale bølger".  

Lyd som kan høres kan deles inn på mange måter: musikk, sang, tale, hvisking, støy, larm osv. Eller: sterk, svak, høy, lav. I fysikken analyserer vi lyd ved å separere den i de minste bitene vi kjenner: "rene toner". Hver tone beskrives av to størrelser: frekvens og amplitude. Skal vi sette sammen flere toner til en sammensatt lyd trenger vi en størrelse til: "fase".

Menneskets øre er et imponerende instrument for å analysere lyd. Den svakeste lyden vi kan høre beveger trommehinnen bare en tiendedel av diameteren til et hydrogenatom! Hadde øret vært følsommere ville vi ha blitt sjenert av støyen fra de enkelte luftmolekylene når de kolloderer med trommehinnen. Den sterkeste lyden vi kan høre før det begynner å gjøre vondt har en million ganger større amplitude. Men hørselen vår imponerer også ved sin evne til å kjenne igjen lyder og lokalisere hvor de kommer fra.

Ikke all lyd kan høres. Er frekvensen høyere enn 20 000 svingninger per sekund (Hertz - Hz) kalles den ultralyd. Er den lavere enn 10 Hz kalles den infralyd. Denne kan vi av og til merke som vibrasjoner eller risting. Svært mange anvendelser baserer seg på ultralyd.

Longitudinale bølger

I denne animasjonen ser vi detaljer i en longitudinal bølge langt fra kilden (det vi kaller "plane bølger"), og vi har merket en spesiell partikkel som lett lar seg følge i bevegelsen når bølgen passerer. Den øverste delen av figuren viser den enkelte partikkels forskyvning fra sin faste plass, i form av en "sinuskurve". Null forskyvning svarer til midtveis vertikalt. Forskyvning framover er altså i øverste halvdel, bakover i nederste halvdel. Legg merke til at tettheten av partiklene ikke er størst når forskyvningen er størst, men når den er null samtidig som partiklene beveger seg motsatt bølgens retning. Tettheten er minst når forskyvningen er null mens partiklene beveger seg i samme retning som bølgen. Vi sier at tettheten og forskyvningen er "faseforskjøvet "(90 grader).

I luft og vann (gasser og væsker) har ikke atomene (eller molekylene) faste plasser. Vi kan da istedet tenke oss partikler som består av mange atomer (molekyler) - ikke de samme, men hele tiden like mange. Når en lydbølge passerer vil disse "partiklene" oppføre seg på samme måte som vi har vist ovenfor.

Vi har sett at lydbølgen enten kan forklares som forskyvning av "partiklene", eller som forandringer av tettheten. Tettheten er nær knyttet til trykk og temperatur, så vi kan godt si at lydbølgen er en trykk-bølge eller en temperatur-bølge også. De fleste mikrofoner baserer seg på å registrere trykkvariasjoner (det gjør øret vårt også). Vi kan måle tetthetsvariasjoner og partikkelforskyvninger også, men temperaturvariasjonene er så små at de ikke lar seg måle direkte.

Transversale bølger og overflatebølger

I transversale elastiske bølger beveger de enkelte partiklene seg på tvers av bølgens egen bevegelsesretning. Som vi ser av animasjonen nedenfor ligner de på overflatebølger på vann, men de er ikke helt like.

Vi har ikke merkat av noen enkeltpartikkel her, men ved å se på enden av animasjonen ser vi lett at bevegelsen til partiklene er vertikal mens bølgen går horisontalt. Slike bølger kan vi finne inne i faste stoffer, og de kalles også "skjær-bølger".

Overflatebølger finner vi på grenseflaten mellom to stoffer. Her er det også mange typer, men de fleste er sammensatt av både longitudinale og transversale bølger. Typiske eksempler er de velkjente vannbølgene, som vi ser på grenseflaten mellom vann og luft. Dette er ikke elastiske bølger, men de ligner av utseende. Animasjonen nedenfor viser en litt forenklet overflatebølge.

Vi har merket av en enkelt partikkel, for å vise at den beveger seg både langs og på tvers av bølgens retning. Den beveger seg i en bane som ligner på en sirkel (ellipse). Legg også merke til at formen på bølgen er forskjellog fra den transversale: toppene er blitt spissere og bunnene lengre. Studerer vi den longitudinale og den transversale bevegelsen hver for seg vil vi finne at begge følger sinuskurver, og de har samme frekvens, men de er forskjøvet i fase i forhold til hverandre. Overflatebølger beveger seg langs grenseflaten. De avtar i styrke vekk fra overflaten, og forsvinner etter en viss dybde. Dette er ikke tatt med i animasjonen.