Grunnbegreper om lyd

• Lyd er svingninger eller trykkvariasjoner i lufta som det menneskelige øret kan oppfatte. Disse trykkvariasjonene kalles også for lydbølger.
• Et normalt og friskt øre oppfatter trykkvariasjoner med frekvens i området mellom 20 Hz og cirka 20 000 Hz (20 kHz).
• Lyd kan skapes på mange forskjellige måter, og svingningene kan være retningsbestemte eller bre seg utover, litt avhengig av hvilken type lyd det er snakk om.
• I luft vil lydbølger bre seg utover med en hastighet på cirka 340 m/s. Dette tilsvarer cirka 1200 km/t.
• Stemmebåndene våre er et ypperlig instrument til å skape lyd med. Små muskler strammer stemmebåndene mens vi presser luft forbi dem. Lufta får stemmebåndene til å vibrere slik at de lager raske trykkvariasjoner i lufta som øret oppfatter som lyd.

• I data- og elektronikkfaget har de fleste signaler svært mange gjentakelser på kort tid. Det er derfor vanlig å måle antall gjentakelser over en fast tidsperiode, vanligvis 1 sekund.
• Måleenheten for antall gjentakelser per sekund kalles hertz (Hz). En Hertz er definert som én gjentakelse per sekund.
• En pc kan for eksempel ha en mikroprosessor som 3 400 000 000 arbeidsoperasjoner på ett sekund. Da sier vi at prosessoren arbeider med en frekvens på  3 400 000 000 Hz (eller 3,4 GHz).

• Frekvens er et mål på hvor mange ganger en hendelse gjentar seg selv i løpet av en bestemt tidsperiode.
• Hvis hjertet ditt slår 60 slag i minuttet, er hjertefrekvensen (pulsen) din 60 slag per minutt.
• Et annet eksempel kan være turtallet i motoren til en motorsykkel. Vi sier at turtallet er 5000 omdreininger i minuttet, men vi kunne like gjerne si at omdreiningsfrekvensen er 5000 omdreininger per minutt.
• Når vi snakker om lyd, er frekvens det samme som antall svingninger (trykkvariasjoner) per sekund.
• Et normalt og friskt øre oppfatter trykkvariasjoner med frekvens i området fra 20 Hz til cirka 20 000 Hz (20 KHz).
• Sammenhengen mellom frekvens og periodetid er slik at F = 1 / periodetiden (T). Dette kan skrives slik: F = 1 / T.
• I stikkontakten hjemme hos deg leveres det en vekselspenning med frekvens F = 50 Hz. Hvis du snur litt på formelen ovenfor, ser du at T = 1 / F. Periodetiden for 50 Hz-signalet er altså 1 / 50 Hz = 20 ms (20 millisekund.

Lydbølgenes ulike frekvenser skaper toner av ulik høyde inne i øret vårt. Vi deler tonene inn i frekvensområder:

• Diskant: De lyse tonene ligger i det høye frekvensområdet. På engelsk kalles diskant for tweeter. (Ordet henviser til fuglekvitter).
• Bass: De mørke tonene ligger i det lave frekvensområdet. På engelsk kalles gjerne bass for woofer. (Ordet henviser til bjeffing).
• Mellomtoner: Mellomtonene ligger i frekvensorådet mellom bass og diskant. På engelsk kalles dette området for mid-range.

En lyd som kun inneholder én frekvens, kalles en ren tone. Men rene toner kan bare produseres teknologisk, og lyd vil derfor vanligvis bestå av mange forskjellige frekvenser.

Lydnivået (trykkvariasjonen) som øret oppfatter, er bestemt av hvor kraftig lydbølgen fortetter lufta. Det er også slik at menneskets øre er mer følsomt for enkelte frekvensområder enn for andre.

Pascal

• Den svakeste lyden det menneskelige øret normalt kan oppfatte, er en trykkvariasjon på cirka 20 mikropascal (µPa).
• Enheten pascal er lite hensiktsmessig å bruke for lydtrykk fordi vi raskt ender opp med en skala med altfor store trinnintervaller. Øret kan oppfatte lydtrykk opp mot cirka 200 Pa, og denne toppverdien er mer enn en million ganger høyere enn 0-nivået 20 µPa.

Desibel

Enheten bel (B) er en stor enhet, og derfor bruker vi som regel tidelen av bel, nemlig desibel (dB), som enhet. Desibel er den vanlige måleenheten vi bruker for å beskrive lydnivåer. Her er noen eksempler:

• Forsiktig hvisking: ca. 20 dB
• Travel restaurant: ca. 60 dB
• Rockekonsert: ca. 100 dB
• Jetmotor: ca. 120 dB

Ørets smertegrense ligger på 130 dB. Lyder på dette nivået vil gjøre vondt, selv om de varer veldig kort, som for eksempel pistol- eller geværskudd (140 dB). Vi opplever gjerne ubehag allerede på lavere nivå enn dette. Smertegrensen er ellers også personavhengig. I tillegg har det noe å si hvor lenge lyden varer, og om lyden er ønsket eller ikke.

For lydtrykk (lydnivå) er desibel en absolutt måleenhet fordi en har bestemt at den svakeste lyden som det menneskelige øret kan oppfatte, settes til 0 desibel. 0 desibel tilsvarer 20 mikropascal.

Noen ganger brukes desibel også til å angi forsterkningen i en forsterker eller dempingen i annet utstyr. Da regner vi ut desibelverdien ved hjelp av formelen P(dB) = 10 x log P(ut) / P(inn).

Det er også andre bruksområder for enheten desibel, men de skal vi ikke komme inn på her.

• Bølgelengden er rett og slett lengden på en bølge, målt i for eksempel meter. Du kan jo forsøke å måle hvor langt det er mellom bølgetoppene neste gang du er ute og svømmer, så vet du hva bølgelengden i badevannet ditt var den dagen!
• Bølgelengden angis med det greske symbolet λ (lambda) og oppgis som regel i meter, centimeter, millimeter, mikrometer osv.
• Sammenhengen mellom lydens hastighet, frekvensen og bølgelengden framkommer av denne formelen: λ = lydens hastighet / frekvensen.
• Siden lydbølgenes hastighet er tilnærmet konstant, vil høyfrekvente lydbølger ha kortere bølgelengde enn lavfrekvente.

Kurven i illustrasjonen over viser en vekselstrøm der elektronene skifter retning hele tida: De skifter fase hver gang de passerer nullpunktet. Dersom for eksempel en høyttaler mottar et vekselstrømsignal, vil nullpunktet være der membranen står når det er helt stille. I fase vil membranen bevege seg utover, og i motfase vil den bevege seg innover.

At det faktisk forholder seg slik, kan vi teste ved bruk av likestrøm i form av et batteri. Hvis vi kobler plusspolen på batteriet til plusspolen på høyttaleren, og minuspolen på batteriet til minuspolen på høyttaleren, vil membranen på høyttaleren bevege seg utover. Dersom vi bytter polaritet, vil membranen bevege seg innover.

Amplituden er avstanden mellom hvilepunkt og ytterpunkt for noe som svinger. Den viser hvor sterkt signalet er på toppen av kurven (peak). Amplituden blir til vanlig målt fra nullpunktet, men den kan også måles fra høyeste punkt i motsatt fase (peak-to-peak).

• Periodetida er den tida det tar å gjennomføre én syklus eller én repetisjon av et signal som repeterer seg selv mange ganger.
• Periodetida betegnes ofte med bokstaven T.
• For eksempel vil periodetida for et hjerteslag være tida som går fra hjertet begynner å trekke seg sammen og til det er i samme posisjon igjen, klart til å begynne på neste sammentrekning.