Lyd og bølger

 Aktiviteter

Hva er lyd?

Ved å føre muspeker over bildet startes en kort animasjon. Aktiviteten kan gjentas.

Et eksempel på at lyd er vanskelig å stoppe
Press en mynt hardt ned i bordflaten med tommelfingeren og legg en eller flere andre mynter tett inntil slik at myntene berører hverandre. Man må i dette tilfellet bruke store krefter for å forflytte den løse mynten via den mynten som holdes fast. Men om man slår en annen mynt inn mot den fastholdte mynten på motsatt side av de(n) løse mynten(e) vil vi se at de(n) løse mynten(e) spretter vekk. Årsaken er da en lydbølge som overfører energi eller krefter gjennom den fastholdte mynten, og slike lydbølger der det ikke enkelt å stoppe.  

Hvordan se eller kjenne lyd?
Om vi ser på en høytaler eller gitarrstreng som sender ut mørke toner vil vi ofte se at den vibrerer. Det er videre mulig å strø noen sukkerkorn på høytaleren eller eventuelt et matpapir som er spent ut over høytaleren og man vil da kunne se at disse sukkerkornene vibrerer. Om vi holder et matpapir eller liknende foran munnen eller nær en høytaler vil vi også kunne kjenne lyd som raske vibrasjoner.

En mer avansert måte å se lyd er å feste litt av en ballong stramt over den ene enden av en dorull eller liknende. Så limer man på en liten bit av et speil nær sentrum av gummien og så lar man speilet reflektere en solstråle eller en laserstråle. Man vil da se at strålen tegner ulike avrunnede former og det blir da et slags oscilloskopbilde av lyd.

"La det svinge"
Skaff til veie ting som kan svinge. Det vil si at de fortsetter visse bevegelser en stund etter at ytre påvirkning har opphørt. Tips til utstyr er tau, strikk, binders, nål osv. Plasser f.eks. ulike gjenstander på enden av nåla og i strikket på forskjellige måter og undersøk om de kan svinge.

Øving 1: Finn tak i noe som kan svinge. Gjør forsøk og formuler noen generelle regler utfra disse. Her følger noen forslag til hjelpespørsmål:
- Hvilke betingelser må være oppfylt for at svingninger skal oppstå?
- Er det sammenheng mellom krefter og retning på svingningene?
- Hva bestemmer hvor lenge svingningene fortsetter?
- Hva bestemmer hvor raske svingningene er?
- Andre observasjoner?

Øving 2: Lag bølger i f.eks. vann eller på ei fjær eller et tau som strekkes på tvers av klasserommet. Lag bølger og prøv og finn fram til hva som kjennetegner bølgene. Noen hjelpespørsmål:
- Gjelder det som er funnet i øving 1 også for bølger?
- Får vi bølger om vi fyller skåla med sand? Hvorfor ikke?
- Hva er forskjellen på bølger og svingninger?

Slike åpne forsøk kan ha ulike begrunnelser. På den ene siden kan de motivere for de svarene som følger av teorien. Teorien er altså ikke med bare for at vi skal ha noe som kalles pensum. Teorien er med for å hjelpe oss med å forstå naturen. Slike øvinger kan også understreke at det er praktiske og nære ting som teorien handler om. Videre kan de hjelpe oss med å tenke rett og formulere de rette spørsmålene i forhold til fagstoffet. Dette kalles studieteknikk. Hvis vi f.eks. leser ei fysikkbok, så er ikke hovedpoenget at vi husker de ordene som står i boka, men at vi forstår de poengene som disse ordene prøver å få fram.

Sammenheng mellom krefter, elastisitet og svingefrekvens
Skjemaet nedenfor er et forsøk på å sannsynliggjøre at det kreves stor elastisitet, små krefter og en viss masse for at vi skal få tydelige svingninger lav frekvens.

Det som påvirkes av krefter kan få permanent forflytning eller være elastisk:
 -deformasjon/permanent forflytning: Bevegelsene stopper når kreftene opphører
 -elastisk forflytning betyr at det oppstår andre krefter som gjenoppretter start-tilstanden

Finn andre eksempler hvor vi får svingninger og prøv og si noe om sammenhengen med begrepene som er nevnt her. Hva skjer med frekvensen når vi endrer krefter og masse?

Små elastiske krefter gir lave frekvenser større krefter gir større frekvens
Det er når vi bruker krefter på elastiske gjenstander at vi får svingninger som gir lyd
-En pendel vil vanligvis svinge med en så lav frekvens at vi ikke hører den (årsaken til de lave frekvensene er at kraften som trekker tilbake mot likevekt er liten)
-En stang av metall/tre som er festet i den ene enden eller en stram tråd av ulike stoff som er festet i begge endene vil vanligvis gi hørbare frekvenser (årsaken til at frekvensen er høyere er at kreftene som trekker tilbake mot likevekt er større)
-Større masse vil vanligvis gi lavere frekvens
Flere eksempler:....

Sterke krefter gir sterk lyd
Eksempler.....

Ulike måter å forsterke/bevare lydstyrke

Resonans Styrken på lyden fra et musikkinstrument bestemmes blant annet av en såkalt resonanskasse som i praksis er noe som kan svinge sammen med det som lager tonen. Et eksempel er gitarkasse. Betydningen av en slik kasse kan vi enkelt demonstrere om vi har en stemmegaffel eller en liten spilledåse uten resonanskasse. Slår man på en stemmegaffel eller dreier på en spilledåse som man holder i hånda så vil lyden være forholdsvis svak. Vis man derimot holder disse inntil ei gitarkasse vil vi høre at lyden blir mye sterkere. Figuren til høyre viser ellers en resonanskasse laget av en isboks og festet til en trefjøl som da holder en streng.

En slange vil lede lyden og hindre at den sprer seg ut til alle kanter og blir svakere. Et eksempel er vist til høyre.

Det er også mulig å samle lyde fra en retning ved hjelp av en trakt. Den kan da lages av et A4-ark som er rullet sammen.

 Telefon av sytråd og yogurtbeger
Lyd ledes også gjennom en sytråd eller liknende og figurene viser hvordan man kan lage en enkel telefon av to yogurtbeger med hull i bunnen og en sytråd som er festet gjennom hullene med en fyrstikkbit. Merk at man også kan lage lyd i denne telefonen ved å berøre tråden og en slik berøring vil også kunne medføre at lyden forsvinner. Lydoverføringen forutsetter ellers at tråden holdes noenlunde stram.  

Kirkeklokkelyd fra en skje
Figuren til venstre viser hvordan man kan få fine lyder gjennom en eller to sytråder som holdes inn i ett eller to ører. La skjeen dunke mot en bordkant eller liknende.

Ide: Hvorfor ikke feste skjeen midt på telefontråden slik at to personer kan høre samme "kirkeklokke"

Lyd og musikk

Egenproduserte musikkinstrument:
I prinsippet kan man lage lyd ved å:
 - sette gjenstander i svingninger (linjal, gitarstreng, strikk..)
 - å få luft i et avgrenset rom til å svinge (fløyte, flaskeblåsing..)

Her vil vi skisser noen enkle instrument man kan lage selv

Musikkinstrument av melkekartong og strikk
Bøy først ned/inn toppen på en ren og tørr melkekartong og trekk så rundt noen strikk som holdes ute fra langsiden med trebiter slik figuren viser. Melkekartongen vil fungere som en resonanskasse med eller uten hull. Hva er best? Stemmingen av instrumentet skjer da ved at man strammer de ulike frittsvingende strikkene ulikt.

Musikkinstrument av linjal eller trelist
Ved å holde en linjal eller trelist fast mot en bordkant og trekke utstikkende ende ned og så slippe den kan man få den til å svinge og gi lyd. Lengden på den frittsvingende enden bestemmer da tonen. Om man lager ulike merker på trelisten kan man spille melodier ved å flytte på listen mellom hver gang man klimprer på den.

Musikkinstrument av trebiter
En annen måte å lage musikkinstrument av trelister er å kutte dem opp i ulike lengder og legge dem på andre lister med et gummistrikk imellom. Merk at de bør stikke ca ¼ ut på begge sidene og at lyden blir bedre jo hardere og tørrere tresorten er. Man får da lyd fra dette instrumentet ved å slå på trebitene med f.eks. en pinne med en kule i enden.

Musikkinstrument av tomflasker
I blåseinstrument er det vanligvis luft i et delvis lukket luftfylt område som settes i svingninger. Det kan man demonstrere ved å blåse på kanten av en tom flaske.

Om man ønsker å få flere toner ut av en flaske kan man skjære bunnen av en flaske og så plassere denne ned i en større beholder med vann. Jo dypere man holder flasken i beholderen jo lysere blir tonen.

Om man ønsker å lage et musikkinstrument med stabile og rene toner av slike flasker kan man fylle flere slike flasker mer eller mindre med vann og så kan en eller flere personer blåse på dem i rett rekkefølge. Tonen blir lysere når mengden luft i flaska avtar. Om flaskene er stemt kan man spille ulike melodier på slike flasker.

Musikkinstrument av glass og en trepinne
Når man slår på et glass med en trepinne eller liknende blir det en tone, og om man fyller ulike glass med ulik mengde vann vil frekvensen endres og man kan da spille melodier ved å slå på glass som er mer eller mindre fylt med vann

Panfløyte Ved hjelp av tykke sugerør, bambusrør eller liknende er det mulig å lage panfløyte hvor det er lengden av rørene som bestemmer tonehøyden. På figuren er rørene festet sammen med en tape og man blåser da på skrå over toppen (mot motstående kant).

Sugerørfløyte Det skal også ifølge en aktivitetsbok være mulig å lage lyd ved å blåse gjennom et sugerør som er kuttet og presset sammen i enden slik man også gjør med en løvetannstilk. Prinsippet er da at de to bevegelige ender (lepper) vil vibrere mot hverandre og vekselvis stoppe luftstrømmen og på den måten lage lyd. Det som er vist på figuren fungerer sannsynligvis, men et alternativ er å klippe slik at det blir en avrundet spiss og så bruke varme fra f.eks. et stearinlys for før man presser de to leppene sammen. Vanlige sugerør har en tendens til å gjenopprette den vanlige formen etter at de er deformert (er elastiske) og det betyr da at avstanden mellom leppene blir for stor.

En annen måte å lage lyd er vist til venstre

Måling av lyd

Måle lydstyrke v.h.a. støymåler
Utstyr: Lydnivåmåler NM3
Lydnivåmåleren kan måle lydstyrker fra ca 40 til 110 dB. Brukeren må selv velge måleområde (level) og nivåviseren vil da vise verdier opptil ±10 dB i fra denne verdien. Funksjon A betyr at lydmåleren gir verdier som svarer til det vårt menneskelige øre oppfatter. Merk at dB skalaen er logaritmisk og en dobling av lydstyrke svarer til en økning på 3 dB. 

Mål lydnivå i ulike situasjoner og lag en tabell med ulike dB-verdier. Velg ulike lydkilder.

Sjekk spesielt om desibelverdien minker med 6 når avstanden til lydkilden dobles. (Hvis lyden avtar som 1/d² fra lydkilden vil lydstyrken blir ¼ når vi dobler avstanden som da betyr to halveringer (½·½)(3dB+3dB))

Hensikten med denne oppgaven er å bli fortrolig med lydnivåmåling som er aktuelt i både barnehage og diskotek. En god lydnivåmåler er relativ dyr og finnes ikke overalt. Men lærere bør ha kjennskap til bruken av disse siden lyd er et tema i grunnskolen og barnehagen. I denne sammenhengen bør læreren også vite litt om bakgrunnen for desibelskalaen som mange har hatt litt problemer med i ulike sammenhenger. Her følger da noen fakta fra ei lærebok som vi stoler på: Lydnivå (intensitet) i desibel b er definert :
   b º 10 log(I / I₀)
hvor I₀ er en referanseintensitet som er antatt å være ørets høregrense (10^-12W/m²) (oversatt og litt omskrevet fra Serway: Physics for Scientists and Engineers 3. utgave side 460)

Hva sier vi så i dette om lydnivå i praktiske sammenhengen. Et forslag er at vi finner ut hvilke desibel-forskjeller som svarer til en dobling (naturlig valg?) og en firedobling (som man etter teorien vil få når avstanden til lydkilden halveres (1/r²-sammenheng)):
Om forholdstallet I / I₀ er 2 (dobling) forteller kalkulatoren at desibelforskjellen blir 3
Om forholdstallet I / I₀ er 4 (firedobling/halvering av avstand) forteller kalkulatoren at desibelforskjellen blir 6
Nedenfor følger så noen tall som er funnet fra en drill i et klasserom ved HVO:

Bakgrunnen for å velge en drill er at denne gir relativ jevn "hvit" støy (ordet hvit indikerer at mange ulike frekvenser er tilstede) og er lett å fremskaffe. Ifølge teorien foran skulle vi da forvente en desibelforskjell på 6 mellom hver måling. Grunnen til at vi da ikke måler det er vel at endel lyd reflekteres fra tak gulv og vegger og derfor ville man sannsynligvis få et annet resultat om målingen f.eks. foregikk utendørs med nysnø på bakken (nysnø absorberer lyd godt).

Lytteøvelser med gjenkjenning og sammenlikning av frekvenser
Evnen til å bestemme tonehøyde/frekvenser ved hjelp av hørselen kalles gehør og noen mennesker er flinkere til dette enn andre. En tonegenerator kan gi toner med ulik frekvens. Ved HVO har vi en eldre tonegenerator. I skoleverket finnes det datamaskiner med lydkort og passende program som da kan lage og analysere lyder, men det vil alltid være viktig å lære elevene å bruke hørselen og dette er da hovedmålet her.

Her følger da noen forslag til oppgaver i forbindelse med et opplegg hvor elever skal lytte til ulike typer lyd. Målet er altså å gi ideer til hva man kan gjøre når man demonstrerer en tonegenerator.

1) Lytt til de ulike lydene man kan få fra tonegeneratoren. Karakteriser lydene fra de to lydkildene ved: Lave frekvenser (20-50 Hz) Brummelyd, basslyd eller liknende. Merk at utstyret vi brukte gjengir slike lyder dårlig fordi tonene ikke er harmoniske. Vi hører med andre ord en "klikkelyd" med en lav frekvens, men denne er da ikke selve tonen. Mellomfrekvenser (500-1000Hz) Dette er vel de frekvensene man har i de fleste musikkinstrumentene, men det er da litt høyere frekvenser som er de viktigste informasjonsbærerne i vanlig tale. Høye frekvenser (10k-20kHz)  Ubehagelige og delvis uhørbare for eldre mennesker

2) Hva er den øvre og nedre frekvensgrense som dere hører fra tonegeneratoren. Merk at både lydkilden (høytaler eller forsterker) og ørene våre kan være årsaken til at vi ikke hører alle tonene fra 20-20kHz. som er de vanlige grensene for mennesklig hørsel. ...

3)Prøv og bestem frekvensen til en tone fra et eller annet ved å sammenlikne denne tonen med en tone fra tonegeneratoren. Er det lett å treffe rett oktav (en oktav svarer til dobling/halvering av frekvens? Kommenter problemene. Hvis man f.eks. skal stemme et blåseinstrument i forhold til et piano så er det vanskelig å vite hvilke oktav det er snakk om, men det gjør da ikke så mye nettopp fordi de som skal høre sannsynligvis ikke vil oppfatte at noe er falskt om det er nøyaktig en oktav feil

4) Hva tror du frekvensen i vingeslagene fra en mygg og en flue er? (lag lyder med tonegeneratoren som du mener svarer til lyden fra disse insektene) En måte å finne frekvensen til vingeslagene til mygg eller fluer er nettopp å stille tonegeneratoren inn mest mulig likt til den lyden vi hører fra disse dyrene og frekvensskalaen vil da vise en tilnærmet frekvens.