Dette projekt omfatter følgende afsnit:
Lad os antage, at et lyn slår ned et øde sted fjernt fra levende væsener. Vores erfaring fra dagliglivet siger os, at et lynnedslag ledsages af et tordenbrag. Men spørgsmålet er nu, om det er rimeligt at sige, at der er en lyd på det øde sted, hvis der ikke er nogen mennesker eller dyr på stedet. Vi berører her et gammelt filosofisk spørgsmål, som det måske er værd at overveje lidt.
En løsning på problemet kunne være noget i retning af, at vi til daglig bruger ordet lyd i to forskellige betydninger. Dels som betegnelse for en speciel slags oplevelse og dels for de fysiske fænomener, der kan give anledning til en sådan oplevelse. Man kan jo godt opleve lyde, uden at der behøver at være en ydre årsag, f.eks. som hallucinationer eller i drømme. På det øde sted er der altså ingen lyd i den først betydning af ordet, men derimod i den anden betydning.
I det følgende skal vi mest koncentrere os om de fysiske processer, der kan give anledning til en lydoplevelse, og når vi herefter bruger ordet lyd, er det altså hovedsagelig disse processer, vi tænker på.
Enhver har gjort den iagttagelse, at forstyrrer man en blank vandoverflade – f.eks. ved at kaste en sten i vandet – udbreder der sig cirkelformede bølger ud fra det punkt, hvor forstyrrelsen fandt sted. Noget tilsvarende gør sig også gældende for faste stoffer og luftarter. Er der f.eks. jordskælv et sted på Jorden, vil virkningerne af denne forstyrrelse forplante sig til omgivelserne og efter et stykke tid kunne måles på følsomme instrumenter (seismografer) overalt på kloden. I det følgende vil vi imidlertid mest beskæftige os med "forstyrrelser" af atmosfæren.
På grund af tyngdekraften holdes atmosfæren fast til Jorden. Det betyder bl.a., at den luft der er en livsbetingelse for os, ikke forsvinder ud i det lufttomme verdensrum. Da disse enorme luftmasser har en anseelig vægt, er lufttrykket ved jordoverfladen ganske stort. Det er dette lufttryk, man til daglig kalder barometerstanden, og det måles (ikke overraskende) på et barometer. Enheden for barometerstanden er millibar, som forkortes mbar. Gennemsnittet er 1013 mbar, men ved et kraftigt lavtryk kan den være helt nede på 950 mbar, medens den ved højtryk kan komme op på 1050 mbar. I den senere tid er man i øvrigt gået over til at bruge enheden hektopascal (forkortet hPa), da denne enhed er defineret på en måde, der harmonerer med SI-enhedssystemet. Men hvis man allerede har et barometer, som viser trykket i mbar, kan man tage det roligt, da 1hPa = 1 mbar.
For at forstå hvor stort et lufttryk, der er tale om, kan vi udføre et velkendt forsøg: Et glas fyldes med vand helt op til randen, og der lægges et stykke papir over det. Herefter vendes glasset hurtigt om, medens man med håndfladen holder på papiret. Fjerner man nu håndfladen fra papiret, bliver dette hængende, og vandet løber ikke ud af glasset. Prøv evt. selv at udføre forsøget hjemme i køkkenet. Det er luftens tryk, der er årsag til, at papiret kan hindre vandet i at løbe ud af glasset. Faktisk er lufttrykket så stort, at glasset kunne være næsten 10 m højt, uden at vandet ville løbe ud.
Lufttrykket er, som allerede nævnt, ikke konstant. Det varierer i løbet af døgnet. Men disse variationer i lufttrykket - som i øvrigt er afgørende for, hvordan vejret udvikler sig - finder sted så langsomt, at vi kan betragte lufttrykket som værende konstant i kortere tidsrum. Lad os derfor antage, at vi har et konstant lufttryk. Vi skaber nu en forstyrrelse et sted i luften f.eks. ved at fyre en lynkineser af. Eksplosionen vil meget brat få lufttrykket til at stige lige uden om eksplosionsstedet og virkningen vil i form af en trykbølge udbrede sig fra eksplosionsstedet. Det minder om stenen, der blev kastet i vandet, og de derved opståede ringbølger. Trykbølgen i luften vil kunne udbrede sig til alle sider, således at vi her får en kuglebølge (i stedet for en ringbølge). Hvis trykbølgen rammer et øre, sættes trommehinden i bevægelse. Via nogle knogler i det indre øre forplanter trommehindens bevægelser sig til nogle nervetråde, der sender elektriske og kemiske impulser videre til hjernen. Her sker der en række indviklede (og uafklarede) processer, og miraklet sker: Vi hører en lyd.
Disse trykbølger i luften kan naturligvis opstå på en mindre dramatisk måde end ved en eksplosion. F.eks. påvirker en svingende stemmegaffel luften, således at der udsendes en hel serie af trykbølger i takt med stemmegaflens svingninger. Disse trykbølger er ganske vist ikke nær så kraftige som i tilfældet med eksplosionen, men kraftige nok til at sætte trommehinderne i medsvingninger. Disse medsvingninger resulterer i, at man hører en tone. Hvis der er tale om en almindelig stemmegaffel, svinger dens grene frem og tilbage 440 gange i sekundet (frekvensen er 440 Hz), og vi hører "kammertonen".
Stemmegaflens svingninger er for hurtige til, at vi kan se dem, men prøv evt. at iagttage dem i 'slow motion' ved hjælp af et stroboskop.
Udbredelseshastigheden af trykbølgerne (altså af lyden) afhænger af temperaturen. I atmosfærisk luft er lydens fart 331,3 m/s ved temperaturen 0 °C, og ved 20 °C er den 343,2 m/s. Man kan beregne lydens fart vlyd ved forskellige lufttemperaturer ved at bruge formlen
hvor T betyder den absolutte temperatur (eller kelvintemperaturen). Kelvintemperaturen bygger på en temperaturskala, der har samme gradinddeling som den sædvanlige celsiusskala, man bruger i dagligdagen. Men den er forskudt således, at den har sit nulpunkt ved -273,15 °C. Denne temperatur er den lavest mulige, og kaldes for det absolutte nulpunkt. Koldere kan det ikke blive noget sted i hele Universet. Det vil altså sige, at man finder kelvintemperaturen ved at lægge 273,15 grader til celsiustemperaturen. F.eks. er 0 °C er det samme som 273,15 K, 10 °C er det samme som 283,15 K, og -10 °C er det samme som 263,15 K osv.
Den første bestemmelse af lydens fart fandt sted ved Paris for omkring 250 år siden. Om natten blev en kanon affyret på en stor slette. En mand, der stod et langt stykke fra kanonen, målte med et ur den tid, der gik, fra han så glimtet fra skuddet, til han hørte lyden fra kanonen.
Lydens fart kan måles ved hjælp af en række forskellige metoder. Her skal anføres nogle forslag:
Vi vender nu tilbage til stemmegaflen og kammertonen. Stemmegaflens grene svinger som tidligere nævnt frem og tilbage 440 gange pr. sekund. Vi udtrykker det teknisk ved at sige, at frekvensen er 440 hertz eller 440 Hz. Frekvensen er defineret som antallet af svingninger pr. sekund. Hvis vi benytter en anden stemmegaffel, der svinger 512 gange pr. sekund, svinger den altså med en frekvens på 512 Hz. Man skriver f = 440 Hz, eller f = 512 Hz.
De toner, et menneske kan høre, afhænger af tonernes styrke og frekvens. Ved en normal styrke kan et ungt øre høre toner med frekvenser fra ca. 20 Hz til 20 kHz (1 kHz = 1000 Hz). Jo ældre man bliver, og jo mere lydforurening man har været udsat for, desto dårligere bliver hørelsen. Det er især evnen til at høre højfrekvente toner, der går tabt. Ved 60-års alderen begynder hørelsen for mange at svigte allerede ved frekvenser på over 10 kHz.
Medens en stemmegaffel normalt udsender lyd med kun én frekvens, udsender de fleste lydkilder lyde med flere frekvenser samtidigt. Hvis lyden kommer fra et musikinstrument vil der normalt være et simpelt forhold mellem tonens forskellige frekvenser: Lyden er opbygget af en sammensat tone, der svinger med en grundfrekvens f0, samt et vist antal toner med frekvenserne f = n·f0 , hvor n er et naturligt tal. F.eks hvis vi på en guitar anslår den næstdybeste streng (tonen A) er dens grundfrekvens 110 Hz. Men strengen svinger også samtidigt med frekvenserne 220 Hz, 330 Hz, 440 Hz, 550 Hz osv. Den dybeste tone kaldes grundtonen, og de øvrige kaldes for overtoner. Overtonerne har forskellig styrke. Almindeligvis (men ikke nødvendigvis) bliver de svagere efterhånden som vi kommer længere ud i overtonerækken, men ikke svagere, end at man godt kan registrere op til 20 overtoner fra nogle musikinstrumenter. Overtonernes styrke er meget forskellige fra det ene musikinstrument til det andet. De er med til at give instrumentet den særlige lyd, der adskiller det fra andre instrumenter. Er der få overtoner, som f.eks. i en fløjte, hører man en 'blød' tone, der godt kan forekomme lidt karakterløs, hvis den ikke formes af musikeren med vibrato og andre virkemidler. Er der derimod mange overtoner, som f.eks. i en violin eller obo, hører man en mere hård og skarp tone. Men for det samme instrument kan en bestemt tone også varieres. Tager vi guitaren igen, lyder den forskelligt, alt efter hvor man anslår strengene. Anslår man f.eks strengene tæt ved det sted, hvor den er hæftet til guitarens forplade (ved stolen), kommer der en skarp og overtonerig lyd. Ved at anslå strengene forskellige steder, har guitaristen en mulighed for at nuancere musikken.
Noget lignende gælder den menneskelige stemme. Synger man f.eks. vokalen »o« , vil overtonemønstret være anderledes end hvis man synger et »i« , selvom begge toner har samme grundfrekvens. Dette er en af årsagerne til, at man i talesproget kan skelne mellem de forskellige vokaler. Hvert menneske har som bekendt sin specielle stemmeklang – sit specielle overtonemønster. Der arbejdes da også på at udnytte dette til stemmeidentifikation, idet man lader en computer analysere en persons stemme, hvorefter den ved sammenligning af stemmemønstre i en database kan afgøre, om personen er den, han giver sig ud for.
Det vil føre for vidt her at komme ind på årsagerne til disse overtonemønstre. Der henvises bl.a. til lærebøger i fysik.
Det er dog ikke kun overtonemønstret, der giver en stemme eller et musikinstrument sit særpræg. Den måde instrumentet sættes an på, samt den måde tonen formes på, betyder mindst lige så meget.
Ved hjælp af en computer samt et program som f.eks. DATALYSE kan man foretage en analyse af toner. Man kan både få synliggjort selve lydsignalet og få vist overtonemønstret. Desuden kan frekvenserne vises med stor nøjagtighed. Herved er der rig lejlighed til at udføre en række interessante eksperimenter. En del af dem kræver supplerende viden, så der henvises til diverse lærebøger i fysik og musikteori.
Bent Christensen, Frederikssund Gymnasium