4.4 Theorie

Op sommige plaatsen in Nederland hoor je een hele hoge, snerpende toon. Dat is heel irritant. Vaak zijn die tonen aanwezig in de buurt van winkels. Toch heeft je leraar totaal geen last van die toon: de toon is voor hem te hoog om te kunnen horen.

Figuur 4.4.2: Een muskiet, ofwel een mug. Het apparaat “mosquito” dankt zijn naam eraan. Muggen maken namelijk ook een hoog geluid.

Die toon wordt gemaakt door een toestel dat een “muskiet” heet. De bedoeling is dat hangjongeren uit de buurt blijven van die winkels. Oudere mensen kunnen die tonen niet horen: hun gehoor is niet meer gevoelig voor die hoge tonen.

Horen

ooranatomie
Figuur 4.4.3: Anatomie van het oor.

De belangrijkste ontvanger van geluid zijn natuurlijk je oren. In je oren zit je trommelvlies. Die wordt op het ritme van de geluidsgolven (hoge en lage druk) ingeduwd en weer naar buiten getrokken. Hoe sneller dat gaat, hoe hoger de toon is die je hoort. Hoe langzamer de trilling, hoe lager de toon die je hoort. Hoe sneller dat gaat, hoe hoger de toon is die je hoort. Hoe langzamer de trilling, hoe lager de toon die je hoort.

Bij een hoge toon hoort een hoge frequentie. Bij een lage toon hoort een lage frequentie.

Veel dieren hebben een soortgelijke constructie in hun lichaam. Sommige vissen gebruiken hun zwemblaas als trommelvlies. (De zwemblaas zorgt ervoor dat een vis makkelijk op een bepaalde diepte kan blijven zwemmen).

Ook het formaat van het trommelvlies speelt een rol. Stel je eens voor dat je een trommelvlies van een olifant in een vleermuis zou stoppen. Zoals je al eerder had gelezen: kleine, strakke voorwerpen trillen snel en grote, slappe voorwerpen trillen langzaam. Het is dan ook niet zo moeilijk om voor te stellen dat kleine, strakke trommelvliezen gevoelig zijn voor hoge tonen en grote, slappe trommelvliezen gevoelig zijn voor lage tonen.

Het trommelvlies is in de evolutie zo gevormd dat het dier in staat is om zijn prooi gemakkelijk op te sporen OF bedreigingen makkelijk op te pikken. Als je “pssst” zegt maak je daar gebruik van. Veel mensen richten dan automatisch hun aandacht: je instinct reageert: WAAR IS DE SLANG?

Logaritmische grafieken

Figuur 4.3.5: Gehoorgrenzen bij mens en dier.
Figuur 4.4.4: Gehoorgrenzen bij mens en dier.

Hiernaast zie je een diagram waarin staat weergegeven voor welke tonen het gehoor van een aantal diersoorten gevoelig is. Om dit diagram goed leesbaar te maken in een oogopslag is er een bijzondere schaal gebruikt: de logaritmische schaal.

 

Hoe je het beste om kunt gaan met die logaritmische schaal lees je de voorbeelden die hierna volgen.

Uitleg: Logaritmische schaal

Als je een grafiek maakt ben je gewend om de gelijke stapjes te nemen als je de assen uitzet. Bij een logaritmische schaal is dat bijna hetzelfde.

Bijvoorbeeld: in plaats van stapjes 10 – 20 -30 (stapgrootte 10) neem je stapjes van 1 -10 – 100 – 1000. Vertaald naar machten van 10 krijg je dan 100-101-102-103. Dat kun je goed zien in de grafiek over gehoorgrenzen bij mens en dier (de grafiek met geluidssnelheden).

Voorbeeld 2: Meer uitleg

Hieronder zie je een afbeelding van een willekeurige grafiek. De x-as is ingedeeld in logaritmische schaal.

[caption id="attachment_578" align="alignnone" width="300"]Een eenvoudige logaritmische grafiek. Een eenvoudige logaritmische grafiek.[/caption]

Je ziet: Ondanks het feit dat de deelstreepjes op een vreemde plaats lijken te staan, neemt een logaritmische grafiek nog steeds met dezelfde stapjes toe. Of misschien toch niet helemaal?

Voorbeeld 3: Nog meer uitleg

Hieronder zie je weer een willekeurige grafiek, met de x-as in de logaritmische schaal. Het gebied dat wordt afgebeeld is nu groter geworden. De x-as is nu opgedeeld tussen 1 (100) , 10 (101) en 100 (102).

[caption id="attachment_509" align="alignnone" width="300"]Een iets ingewikkelder voorbeeld. Een iets ingewikkelder voorbeeld.[/caption]

Je ziet nu dat de x-as tussen alle machten van 10 gelijke stapjes neemt.

Moeilijk? Nee hoor:

tussen 1 en 10: stapjes van 1

tussen 10 en 100: stapjes van 10

tussen 100 en 1000: stapjes van 100

tussen 1000 en 10000: stapjes van 1000

etcetera.

Gehoorgrenzen

Een hondenfluitje kun je niet horen. Daarvoor is de toon te hoog. Natuurkundig zeg je dan: De toon ligt boven de gehoorgrens van een mens. Jongeren met een normaal gehoor kunnen tonen horen tussen een frequentie van 20 en 18 000 hertz. De frequentie van een hondenfluitje ligt vaak rond de 20 000 hertz. Hondenoren zijn daar wel gevoelig voor. Vandaar de naam.

  • Geluiden met een frequentie onder de 20 Hertz noemt men infrasoon geluid. Dit geluid is vaak te voelen met je lichaam in plaats van met je oren.
  • Geluiden met een frequentie tussen de 20 Hertz en 18000 Hertz noemt men geluiden die binnen het gehoorgebied van de mens vallen.
  • Geluiden met een frequentie, hoger dan 18 000 Hertz, noemt men ultrasoon geluid.

Naarmate je ouder wordt, wordt met name je bovenste gehoorgrens lager. Hoeveel, is afhankelijk van hoe je met je gehoor bent omgegaan. Heb je vaak naar te harde muziek geluisterd? Grote kans dat je gehoor beschadigd is geraakt: je hoort dan minder van de wereld dan dat past bij je leeftijd.

Extra: Het Doppler effect en de geluidsbarrière.

Het Doppler effect bij geluid is het effect van het samentrekken en uitrekken van geluidsgolven doordat de bron een bepaalde snelheid heeft.

Mooie zin, maar het is duidelijker als je het filmpje hiernaast even bekijkt en beluistert.

meerkoet
Figuur 4.4.5. Een meerkoet in een sloot.

Voor de verklaring gaan we even terug naar de meerkoet uit paragraaf 2. De golven bij zijn buik zitten dicht op elkaar geduwd. De frequentie van de golven bij zijn buik is dus hoog.

De golven bij zijn staart zijn ver uiteen getrokken. De frequentie is daar laag. Dit verschijnsel zie je ook bij geluid: het geluid dat je hoort als een auto aan komt rijden is hoger als het geluid dat je hoort als hij gepasseerd is: Het Doppler effect!

Figuur 4.4.6: Het Doppler effect bij een auto.

Dit effect kom je bij alle soorten golven tegen, dus ook bij geluidsgolven. In figuur 4.4.6 zie je een kleine animatie van de geluidsgolven van een passerende auto.

  • Het Doppler effect is het verschijnsel dat een bewegende trillingsbron verschillende frequenties produceert.
  • Als een geluidsbron naar je toe beweegt, hoor je een hoge toon omdat de golven in elkaar zijn gedrukt. Als een geluidsbron van je af beweegt, hoor je een lage toon omdat de golven zijn uitgerekt.
De geluidsbarrière
Figuur 4.4.7: Het doorbreken van de geluidsbarriere. 1: De bron gaat langzamer dan het geluid. 2: De bron gaat even snel als het geluid. 3: De bron gaat sneller dan het geluid.

De geluidsbarrière is een speciale variant van het dopplereffect: Door een hele hoge snelheid begint een vliegtuig of een raket zijn eigen geluidsgolven in te halen. Op het moment dat een vliegtuig precies dezelfde snelheid heeft als de geluidsgolven die hij maakt produceert hij een geluidsgolf met een hele hoge druk. Die horen we op de grond als een knal.


Figuur 4.4.8: Een F-18 Hornet breekt door de geluidsbarriere.

Die geluidsgolf kun je ook goed zien: op de plekken waar de druk het allerlaagst is condenseert het water uit de lucht. In de foto hiernaast kun je dat goed zien.