En ljudvåg är en typ av tryckvåg som orsakas av vibration av ett föremål i ett ledande medium som luft. När föremålet vibrerar sänder det ut en serie vågor som kan tolkas som ljud. Till exempel, när någon slår på en trumma får det trummans membran att vibrera, och vibrationen överförs genom luften, där den kan nå en lyssnares öra. Vibrationer färdas med olika hastigheter genom olika medier, men kan inte färdas genom ett vakuum. Förutom att användas för kommunikation, används ljudvågor för att ge bilder av otillgängliga föremål och strukturer, i oceaniska undersökningar och inom geologi och seismologi.
Typer av våg
Ljud färdas genom gaser, vätskor och fasta ämnen som längsgående vågor. Det betyder att komprimeringen av mediet är i samma riktning som den som ljudet rör sig i. I fasta ämnen och på vätskeytorna kan vibrationer också färdas som tvärgående vågor. I dessa är kompressionen i rät vinkel mot rörelseriktningen.
Ljudets hastighet
Den hastighet med vilken ljud färdas beror på densiteten hos mediet som det färdas genom. Den färdas snabbare genom tätare medier och är därför snabbare i fasta ämnen än i vätskor och snabbare i vätskor än i gaser. Under välbekanta, jordiska förhållanden är ljudets hastighet alltid enormt lägre än ljusets, men i det supertäta materialet i en neutronstjärna kan den komma ganska nära ljusets hastighet. Skillnaden i hastigheter genom luften visas av fördröjningen mellan en blixt och ljudet av åska för en avlägsen observatör: ljuset kommer nästan omedelbart, men ljudet tar en märkbar tid.
Ljudhastigheten i luft varierar med tryck och temperatur, med högre tryck och temperaturer som ger högre hastigheter. Som ett exempel, vid 68°F (20°C) och standardtryck i havsnivån är det 1,126 343.3 fot per sekund (68 meter per sekund). I vatten är hastigheten återigen temperaturberoende; vid 20°F (4,859°C) är det 1,481 13,700 ft/sek (4,176 20,000 m/s). Hastigheten i fasta ämnen är mycket varierande, men några typiska värden är 6,100 39,400 ft/s (12,000 XNUMX m/s) i tegelsten, XNUMX XNUMX ft/sek (XNUMX XNUMX m/s) i stål och XNUMX XNUMX ft/s (XNUMX XNUMX m/s) i diamant.
Våglängd, frekvens och amplitud
Ljud kan beskrivas i termer av våglängd, frekvens och amplitud. Våglängden definieras som det avstånd det tar för en hel cykel att slutföras. En komplett cykel rör sig från topp till topp eller dalgång till dalgång.
Frekvens är en term som används för att beskriva antalet kompletta cykler inom en viss tidsperiod, så kortare våglängder har högre frekvenser. Den mäts i hertz (Hz), där en hertz är en cykel per sekund, och kilohertz (kHz), där en kHz är 1,000 20 Hz. Människor kan höra ljud som sträcker sig från 20 Hz till cirka XNUMX kHz, men vibrationer kan ha mycket lägre, eller högre, frekvenser. Hörseln hos många djur sträcker sig utanför människans räckvidd. Vibrationer som ligger under intervallet för mänsklig hörsel kallas infraljud, medan de över det intervallet kallas ultraljud.
Tonhöjden på ett ljud beror på frekvensen, med högre tonhöjder som har högre frekvenser. Amplituden är höjden på vågorna och beskriver mängden energi som transporteras. Höga amplituder har högre volymer.
Vågfenomen
Ljudvågor är föremål för många av de fenomen som förknippas med ljusvågor. Till exempel kan de reflekteras från ytor, de kan genomgå diffraktion runt hinder och de kan uppleva brytning när de passerar mellan två olika medier, såsom luft och vatten, allt på samma sätt som ljus. Ett annat gemensamt fenomen är störningar. När ljudvågor från två olika källor möts kan de förstärka varandra där topparna och dalarna sammanfaller, och ta ut varandra där topp möter dala, vilket skapar ett interferensmönster med högljudda och tysta områden. Om vibrationerna har olika frekvenser kan detta skapa en pulsad effekt eller ett ”beat” i det kombinerade ljudet.
Tillämpningar
Ljudvågor har många tillämpningar inom vetenskap och medicin. Ultraljudsundersökning kan användas för att undersöka medicinska problem och utföra viktiga kontroller. En välkänd applikation är en ultraljudsskanning, som används för att producera en bild av ett ofött barn, för att kontrollera dess hälsa där en röntgenbild inte skulle vara säker. Ljudpulser, kända som ekolod, kan användas för att kartlägga havsbotten genom att exakt mäta tiden det tar för ett eko att tas emot.
Inom seismologi kan jordens inre struktur undersökas genom att observera ljudvågornas utbredning. Eftersom tvärgående vågor inte kan färdas genom vätskor, kan denna teknik användas för att kartlägga områden med smält sten under ytan. Vanligtvis genereras ljud av en explosion, och vibrationerna plockas upp på olika avlägsna punkter efter att ha färdats genom jorden. Genom att undersöka mönstret av transversella vågor – kända som ”s-vågor” i detta sammanhang – och longitudinella vågor – kända som ”p-vågor” – kan en exakt tredimensionell karta byggas upp som visar fördelningen av fast och smält sten .