Geluid

In lucht van 20 °C legt geluid elke seconde ongeveer 343 meter af. Als je de donder 3 seconden na een bliksemflits hoort, was de bliksem dus ongeveer 1 km ver weg.

Drukgolven in lucht

Wanneer een trommelvel naar buiten beweegt, drukt het de lucht ernaast samen. Bij de terugbeweging laat het een gebied met iets lagere druk achter. Die verdichtingen en verdunningen gaan van molecuul naar molecuul als longitudinale golf. De lucht bij je oor reist niet vanaf de trommel naar je toe. Ze beweegt een heel klein beetje heen en weer, terwijl het drukpatroon verdergaat. Volgens OpenStax bewegen moleculen bij het zachtste hoorbare geluid minder dan één molecuuldiameter.

Hoe snel gaat geluid?

Bij een vuurwerkshow kun je zien dat geluid tijd nodig heeft: de lichtflits komt eerst en de knal pas later. OpenStax geeft voor de geluidssnelheid in lucht 331 m/s bij 0 °C en 343 m/s bij 20 °C. Voor lucht op zeeniveau geldt v = 331 m/s × √(T / 273 K), met T in kelvin. Warmere lucht betekent snellere moleculen, die de druk sneller doorgeven, maar het effect is klein. Van 0 °C naar 20 °C neemt de snelheid met minder dan 4% toe. Uit 343 m/s volgt een nuttige vuistregel: geluid heeft ongeveer 3 seconden nodig voor een kilometer. Door de seconden tussen bliksem en donder te tellen, vind je dus de afstand.

Geluid gaat sneller in vloeistoffen en vaste stoffen dan in lucht, omdat ze veel moeilijker samendrukbaar zijn. De snelheid hangt af van stijfheid en dichtheid. Stijver betekent sneller; bij vergelijkbare stijfheid is het lichtere materiaal sneller. OpenStax geeft waarden voor veel materialen. Rubber is uitzonderlijk langzaam doordat het zo zacht is.

Toonhoogte, gehoorbereik en echo's

We horen de frequentie van een geluid als zijn toonhoogte. Mensen met goed gehoor kunnen gewoonlijk ongeveer 20 Hz tot 20 000 Hz horen. Geluid boven dat bereik heet ultrasoon en daaronder infrasoon. Binnen het hoorbare gebied hangt de snelheid nauwelijks van de frequentie af. OpenStax illustreert dit met een marcherende fanfare: als hoge tonen sneller reisden dan lage, zou de muziek voor verre luisteraars niet meer gelijk aankomen. Dat gebeurt niet.

Geluid kaatst terug van harde oppervlakken. Het terugkerende geluid is een echo. Als je voor een rotswand klapt en de echo 2 seconden later hoort, is het geluid heen en terug gegaan. De rotswand staat dus op 343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 m. Vleermuizen gebruiken echo's om insecten te vinden. Medische echografie gebruikt de echo's van heel hoge frequenties uit het lichaam. Omdat hoorbare golflengtes van centimeters tot vele meters lopen, buigt geluid ook om deuren en hoeken. Daarom hoor je iemand in de kamer ernaast zonder die persoon te zien.

Luidheid en decibel

De luidheid volgt de intensiteit van de golf: het vermogen dat zij door elke vierkante meter vervoert. Het oor bestrijkt een enorm bereik. Het zachtste hoorbare geluid bij 1000 Hz heeft een intensiteit van ongeveer 10⁻¹² W/m². Geluid dat binnen seconden gehoorschade veroorzaakt, is ongeveer 10¹² keer sterker. Om de getallen hanteerbaar te houden gebruiken we de decibelschaal, β = 10 log₁₀(I / I₀), met I₀ = 10⁻¹² W/m². Elke factor 10 in intensiteit voegt 10 dB toe. Een verdubbeling voegt ongeveer 3 dB toe. OpenStax noemt een gewoon gesprek rond 60 dB en een hard rockconcert rond 120 dB, de pijngrens. Een voetnoot vermeldt dat verschillende overheids- en gezondheidsinstanties zonder gehoorbescherming maximaal 85 dB gedurende 8 uur per dag adviseren.