Les over 9.5 Geluid

Leerdoelen

•Je kunt de eigenschappen van geluidsgolven en echo beschrijven en toepassen.

•Je kunt beschrijven wanneer bij een geluidsgolf constructieve en destructieve interferentie optreedt en wanneer golven in fase of in tegenfase zijn.

•Je kunt redeneren met het dopplereffect.

Eigenschappen van geluidsgolven

Voorwerpen die heen en weer bewegen, werken als geluidsbron. Geluid bestaat meestal uit een mengsel van verschillende trillingen. Een geluid dat uit slechts één frequentie bestaat, noem je een zuivere toon. De frequentie van een trilling bepaalt de toonhoogte: hoge tonen hebben een hogere frequentie dan lage tonen. De amplitude van de trilling bepaalt de geluidssterkte: hoe groter de amplitude, hoe harder het geluid. Mensen met een goed gehoor kunnen geluiden waarnemen met frequenties tussen en . Geluid met een frequentie hoger dan noem je ultrasoon geluid; dit is voor mensen onhoorbaar. Geluiden met een frequentie lager dan kun je niet horen, maar wel voelen. Bij ouderdom of gehoorbeschadiging neemt de gevoeligheid voor hoge tonen het eerst af. Geluid plant zich voort als een longitudinale golf. Wanneer bijvoorbeeld de conus van een luidspreker heen en weer beweegt, worden de luchtmoleculen afwisselend samengedrukt en uit elkaar getrokken. Hierbij ontstaan opeenvolgende gebieden van verdichting en verdunning. De afstand tussen twee opeenvolgende verdichtingen of verdunningen is de golflengte (). Het verband tussen de voortplantingssnelheid, de frequentie en de golflengte is: . De voortplantingssnelheid van een geluidsgolf noem je de geluidssnelheid (). De geluidssnelheid hangt af van het medium en de temperatuur, maar niet van de frequentie of de amplitude. Omdat de frequentie wordt bepaald door de bron en constant blijft, zal de golflengte veranderen wanneer het geluid in een medium met een andere geluidssnelheid terechtkomt.

Het dopplereffect

Wanneer een geluidsbron beweegt ten opzichte van een waarnemer, veranderd de waargenomen toonhoogte. Dit fenomeen noem je het dopplereffect. Het dopplereffect ontstaat doordat geluid een vaste snelheid heeft in het medium en er tijd nodig is om de afstand tussen de bron en de waarnemer te overbruggen:

•Bron beweegt naar de waarnemer toe: de bron beweegt achter de uitgezonden golven aan, waardoor de afstand tussen opeenvolgende golffronten kleiner wordt. De waargenomen trillingstijd wordt kleiner en de waarnemer hoort een hogere frequentie (een hogere toon).

•Bron beweegt van de waarnemer af: de afstand tussen opeenvolgende golffronten wordt groter doordat de bron wegrijdt. De waargenomen trillingstijd wordt groter en de waarnemer hoort een lagere frequentie (een lagere toon).

Belangrijk: de geluidssnelheid zelf verandert bij het dopplereffect niet, omdat het medium waarin de golf beweegt hetzelfde blijft.

Echo en galm

Wanneer een geluidsgolf op een hard en glad oppervlak botst, weerkaatsen de trillende deeltjes. Dit verschijnsel noem je een echo. Een zacht oppervlak absorbeert het geluid juist, terwijl een hard maar ruw oppervlak het geluid in verschillende richtingen verstrooit, waardoor het weerkaatste geluid verzwakt. Als de tijd tussen het oorspronkelijke geluid en de weerkaatsing korter is dan , kun je het brongeluid en de echo niet als afzonderlijke geluiden waarnemen. Je spreekt dan van galm. In een normale kamer is de afstand tot een muur meestal kleiner dan (de afstand die geluid heen en terug aflegt in ), waardoor er in huis sprake is van galm in plaats van echo. Galm kan verminderd worden door zachte materialen (zoals gordijnen of kleden) aan te brengen die het geluid absorberen. Echo kent verschillende toepassingen:

•Sonar: sound navigation and ranging, waarbij met behulp van geluidspulsen en echotijden afstanden en dieptes onder water worden gemeten.

•Echolocatie: het lokaliseren van prooien door dieren zoals vleermuizen en dolfijnen.

•Echografie: medische beeldvorming van het inwendige van het menselijk lichaam.

Interferentie

Wanneer meerdere geluidsgolven tegelijkertijd in een ruimte aanwezig zijn, tellen de uitwijkingen van deze golven op elk punt bij elkaar op. Het verschijnsel van het samengaan van twee of meer golven noem je interferentie.

Afhankelijk van het onderlinge faseverschil tussen de golven onderscheiden we twee vormen van interferentie:

•Constructieve interferentie: dit treedt op wanneer golven in fase zijn. De toppen en dalen van de golven vallen op hetzelfde moment en op dezelfde plaats samen. De uitwijkingen versterken elkaar maximaal, waardoor een resulterende golf met een grotere amplitude ontstaat. Je hoort het geluid op die plek veel harder.

•Destructieve interferentie: dit treedt op wanneer golven in tegenfase zijn. Een top van de ene golf valt samen met een dal van de andere golf, waardoor de uitwijkingen elkaar tegenwerken. De golven verzwakken elkaar. Als de amplitudes van beide golven even groot zijn, is de totale uitwijking nul en hoor je op die plek helemaal niets.

Bij twee puntbronnen die synchroon cirkelvormige golven uitzenden, ontstaat in de ruimte een interferentiepatroon met afwisselende zones van constructieve interferentie (maximaal geluid) en destructieve interferentie (minimaal geluid), afhankelijk van het weglengteverschil tussen de twee bronnen en het punt van waarneming.