Nou dat ons die basiese beginsels van longitudinale golwe bespreek het, is ons gereed om klankgolwe meer volledig te bestudeer.

Het jy al ooit gewonder oor hoe ongelooflik jou gehoor is? Dit is eintlik heel merkwaardig. In jou omgewing is daar baie verskillende tipes klank: toeters, ’n laggende baba, ’n blaffende hond en tog kan jou brein hulle almal op een of ander manier verwerk. Alhoewel al hierdie dinge vir jou ingewikkeld mag klink, word dit eintlik nogal eenvoudig sodra jy ’n baie maklike feit geleer het. Klank is bloot ’n golf, daarom kan jy alles wat jy van golwe af weet gebruik om klank te verstaan.

Aangesien klank ’n golf is, kan ons die eienskappe van klank in verband bring met dié van golwe. Die basiese eienskappe van klank is: toonhoogte, hardheid en toon.

Figuur 1: Toonhoogte en hardheid van klank. Klank B het 'n laer toonhoogte (laer frekwensie) as klank A en is sagter (kleiner amplitude) as klank C.

(a) (b) (c)

Die spoed van klank is afhanklik van die medium waarin dit beweeg. Klank beweeg vinniger in vastestowwe as in vloeistowwe en vinniger in vloeistowwe as in gasse. Hierdie verskynsel is danksy die feit dat die digtheid van vastestowwe hoër is as dié van vloeistowwe wat beteken dat die deeltjies nader aan mekaar is en die geluid makliker oorgedra kan word.

’n Ander faktor wat die spoed beïnvloed is die temperatuur van die medium. Hoe warmer die medium is, hoe vinniger beweeg die deeltjies en dus sal die klank ook vinniger deur die medium beweeg. Wanneer ons ’n stof verhit, het die deeltjies in daardie stof meer kinetiese energie en sal dit vibreer of vinniger beweeg. Daarom kan klank vinniger en makliker deur warm stowwe gelei word.

Klankgolwe is drukgolwe. Die spoed van klank sal dus deur die druk van die medium waardeur dit gaan beïnvloed word. By seevlak is die lugdruk hoër as hoog bo-op ’n berg. Klank sal vinniger by seevlak beweeg, waar die druk hoog is, as by plekke hoog bo seespieël.

Definition 1: Spoed van klank

Die spoed van klank in lug, by seevlak, ’n temperatuur van 21∘∘C en onder normale atmosferiese omstandighede is 344m s-1-1.

Klank frekwensie en amplitude

Bestudeer die volgende diagram wat ’n musieknoot voorstel. Teken nou in jou werkboek die kurwes wat elk van die volgende klanke voorstel:

1. ’n hoër toonhoogte
2. harder
3. sagter

Figuur 2

Figuur 3: Diagram van die menslike oor.

Die menslike oor word in drie hoof afdelinge verdeel: die buite-, middel en binne-oor. Laat ons nou die reis volg wat ’n klankgolf neem vanaf die pinna (buitenste deel) na die gehoorsenuwee (diepste deel) wat seine na die brein deurstuur. Die pinna is die deel van die oor waaraan ons tipies dink wanneer ons na die oor verwys. Sy hoof funksie is om ’n invallende klankgolf te versamel en op die gehoorkanaal te fokus. Die klankgolf beweeg dan deur die gehoorkanaal tot dit by die oordrom uitkom. Skommelings in die druk van die klankgolf veroorsaak dat die oordrom vibreer. Daar is drie verskriklike klein beentjies in die middeloor, die hamer (malleus), aambeeld (inkus) en stiebeuel (stapes). Hierdie beentjies stuur die klanksein deur ’n ovaal venster wat die begin is van die binneoor. Vanaf hierdie ovaal venster word die klankgolwe oorsein deur die vloeistof in die binneoor en vertolk as klanke deur die brein. Die binne-oor, gemaak van die halfsirkelvormige kanale, die koglea en die gehoorsenuwee, is gevul met vloeistof. Hierdie vloeistof laat die liggaam toe om vinnige bewegings op te spoor en balans te behou. Die slak-vormige koglea is oortrek met meer as 25 000 haaragtige senuweeselle. Verskillende senuselle vibreer teen verskillende frekwensies. Wanneer ’n senusel vibreer, stuur dit elektriese impulse na die gehoorsenuwee. Hierdie impulse word na die brein gestuur deur die gehoorsenuwee en geïnterpreteer as klank.

Ultraklank is klank met ’n frekwensie van hoër as 20 kHz. Sommige diere, soos honde, dolfyne en vlermuise, het ’n bo-grens hoër as dié van die menslike oor en hul kan ultraklank hoor.

Die mees algemene gebruik van ultraklank is om beelde mee te skep wat industriële en mediese toepassings het. Die gebruik van ultraklank om beelde mee te skep is gebaseer op die refleksie en deurstuur van ’n golf by ’n grens. Soos ’n ultraklank golf binne ’n voorwerp beweeg wat uit verskillende materiale bestaan, soos die liggaam, sal grense bereik word, byvoorbeeld tussen been en spiere, spiere en vet, elke keer word ’n deel daarvan gereflekteer en ’n ander word deurgestuur. Gereflekteerde strale word bespeur en word gebruik om ’n beeld van die objek te skep.

Ultrasound in medicine can visualise muscle and soft tissue, making them useful for scanning the organs, and is commonly used during pregnancy. Ultrasound is a safe, non-invasive method of looking inside the human body.

Ultrasound sources may be used to generate local heating in biological tissue, with applications in physical therapy and cancer treatment. Focussed ultrasound sources may be used to break up kidney stones.

Ultrasonic cleaners, sometimes called supersonic cleaners, are used at frequencies from 20-40 kHz for jewellery, lenses and other optical parts, watches, dental instruments, surgical instruments and industrial parts. These cleaners consist of containers with a fluid in which the object to be cleaned is placed. Ultrasonic waves are then sent into the fluid. The main mechanism for cleaning action in an ultrasonic cleaner is actually the energy released from the collapse of millions of microscopic bubbles occurring in the liquid of the cleaner.

In echo-sounding the reflections from ultrasound pulses that are bounced off objects (for example the bottom of the sea, fish etc.) are picked up. The reflections are timed and since their speed is known, the distance to the object can be found. This information can be built into a picture of the object that reflects the ultrasound pulses.

Figuur 4

Ships on the ocean make use of the reflecting properties of sound waves to determine the depth of the ocean. A sound wave is transmitted and bounces off the seabed. Because the speed of sound is known and the time lapse between sending and receiving the sound can be measured, the distance from the ship to the bottom of the ocean can be determined, This is called sonar, which stands fromSoundNavigationAndRanging.

Intensity is one indicator of amplitude. Intensity is the energy transmitted over a unit of area each second.

The unit of intensity is thedecibel(symbol: dB). This reduces to an SI equivalent ofW m-2W m-2.

The average threshold of hearing is10-12W m-210-12W m-2. Below this intensity, the sound is too soft for the ear to hear. The threshold of pain is1.0W m-21.0W m-2. Above this intensity a sound is so loud it becomes uncomfortable for the ear.

Notice that there is a factor of10121012between the thresholds of hearing and pain. This is one reason we define the decibel (dB) scale.

In this way we can compress the whole hearing intensity scale into a range from 0 dB to 120 dB.

Notice that there are sounds which exceed the threshold of pain. Exposure to these sounds can cause immediate damage to hearing. In fact, exposure to sounds from 80 dB and above can damage hearing over time. Measures can be taken to avoid damage, such as wearing earplugs or ear muffs. Limiting exposure time and increasing distance between you and the source are also important steps for protecting your hearing.