Geluid

Geluid

Inleiding geluid

Vrijwel iedereen houdt van muziek. Veel mensen kunnen zelf muziek maken.
In deze serie lessen gaat het over muziek en over het zelf maken van muziekinstrumenten.

Het maken van muziekinstrumenten behoort tot de techniek. In de techniek ontwerp en maak je dingen, die je leven veraangenamen. Daarbij gebruik je vaak kennis uit de natuurkunde. Daarom begin je deze serie lessen met enkele begrippen uit de natuurkunde, die te maken hebben met geluid.

Je maakt onderscheid tussen muziek en geluid. Niet alle geluid is muziek. Geluid noem je pas muziek als je tonen in een bepaalde volgorde naast of achter elkaar zet. De tonen en de volgorde bepaal je zelf als je een muziekstuk maakt of speelt. Ook kunnen verschillende tonen tegelijkertijd worden gespeeld om een akkoord te maken.

Een toon ontstaat door het trillen van voorwerpen. Bij muziek zijn die trillende voorwerpen onderdeel van het muziekinstrument. Welke onderdelen dat zijn, zie je in het vervolg. Als een voorwerp trilt, gaat de lucht eromheen meetrillen. De lucht geeft dan de trilling door. Zo komt deze bij je oren en kun je de toon horen. Je hoort dus een geluid of toon door de trilling van luchtdeeltjes.

Opdracht:
Pak nu een stevige geodriehoek/lineaal en klem deze tegen een tafel aan (kan met je hand) Wanneer je nu de uiteinde van de geodriehoek laat trillen, wat hoor je dan? En wanneer je dat uiteinde korter maakt en de proef nog eens doet, wat hoor je dan?

Vraag:
Als een voorwerp sneller trilt is de toon hoger/lager (kies het juiste antwoord).

 

Bij een toon spreek je van toonhoogte. De toonhoogte heeft te maken met het aantal trillingen dat een voorwerp in 1 seconde maakt. Dat aantal trillingen noem je de frequentie.
1 trilling per seconde noem je 1 herz (afgekort Hz).
Een frequentie van 100 Hz betekent dus 100 trillingen per seconde.
We zagen dat bij de vorige proef:
Hoe meer trillingen per seconde, dus hoe groter de frequentie van de trilling, hoe hoger de toon.

Bij een toon spreek je ook van toonsterkte.

Opdracht:
Wanneer je weer de geodriehoek tegen de tafel klemt, maar hem nu één keer zacht en één keer hard aanslaat hoor je weer een verschil. Wat is dit verschil?

Opdracht:
pak een stemvork en sla die aan. Wat hoor je?
Zet vervolgens de stemvork op een klankkast, wat hoor je nu? Is er een verschil?

Vraag:
Kun je dat verschil verklaren? (Denk aan wat er in de inleiding van deze paragraaf staat over trillingen.)


Je hebt nu enkele voorwerpen gezien die maar één toon voortbrengen. Dus één toon met dezelfde toonhoogte of frequentie. Maar muziek is een samengaan of opeenvolging van tonen. Met een muziekinstrument moet je dus verschillende tonen kunnen maken. Je gaat nu met een voorwerp verschillende tonen maken.

Opdracht:
Pak een (glazen) fles of een bekerglas en vul deze met een klein laagje water. Sla (zachtjes) met een hard staafje tegen het glas. Vul het bekerglas wat meer met water en herhaal de proef. Wat hoor je nu?

Vraag:
Hoe korter de luchtkolom in de fles (bekerglas), die trilt, hoe hoger/lager de toon. (kies het juiste antwoord)


Wanneer een piano en een viool even hard een C spelen, is van de tonen die ze maken de toonhoogte en toonsterkte gelijk. Toch hoor je verschil. De ene toon klinkt scherper dan de andere. Je noemt dat een verschil in klankkleur.

Samenvatting
Geluid ontstaat door het laten trillen van voorwerpen.
Muziek is geluid, dat bestaat uit een verzameling tonen,die elkaar in een bepaalde volgorde opvolgen.  
frequentie = het aantal trillingen van een trillend voorwerp per seconde
toonhoogte = Hoe meer trillingen per seconde, hoe groter de frequentie, hoe hoger de toon
toonsterkte = hoe hard de toon klinkt.
klankkleur = wat is de klank van de toon?

Op een muziekinstrument kun je meer dan één toon spelen. Je kunt de toon versterken door met een klankkast. Als een toon door een trillende kolom lucht wordt voortgebracht geldt: hoe korter de luchtkolom, hoe hoger de toon.

Afrondende vragen:
1. Geef enkele voorbeelden van trillingen, die een geluid veroorzaken.

2. Diederik speelt twee noten op een orgel. De eerste toon heeft een frequentie van 440 Hz, de tweede een frequentie van 220 Hz.

a. Welke noot is het hoogst?
b. Voor welke toon heb je de langste orgelpijp nodig?

3.Hans en Julian spelen allebei blokfluit. Hans speelt zachtjes een hoge C. Julian speelt vrijhard een lage C.
Zijn de tonen verschillend in frequentie?
Verschillen de tonen in toonsterkte?
En in klankkleur?

4. Met een stemvork kun je een toon voortbrengen.
Kun je de frequentie van die toon aanpassen?
En de toonsterkte?
En de klankkleur?
Geef steeds aan waarom het niet kan of hoe het wel kan.

5. In de inleiding van deze paragraaf hebben we onderscheid gemaakt tussen geluid en muziek. Denk eens aan de muziek die jij luistert of extreme vormen van muziek. Kun je het verschil tussen geluid en muziek wel daadwerkelijk zo omschrijven zoals in deze paragraaf wordt gedaan?
 

Geluidssnelheid

In deze paragraaf gaan we de informatie van de inleidende paragraaf op een natuurkundige manier bekijken. Geluid is immers te meten en over die metingen is veel te vertellen. Zo wordt het volume van het geluid tijdens dance-events gemeten om te voorkomen dat mensen blijvende gehoorschade oplopen. Hoogte van geluid kan worden gemeten om een gitaar of ander snaarinstrument te kunnen stemmen.

Wat was geluid ook alweer?
Geluid ontstaat door het trillen van een voorwerp, de lucht om dat voorwerp begint ook te trillen en die trilling reist door de lucht naar ons oor. Het voorwerp wat trilt noemen we de geluidsbron.

Maar wat is een trilling nu weer?
Volgens wikipedia is een trilling:
Een trilling is een periodiek herhaalde omkering van de bewegingsrichting. Een trilling wordt vaak veroorzaakt door de verstoring van een stabiele evenwichtssituatie.

Dit lijkt een moeilijk te ontcijferen zin, maar denk eens terug aan de proef met je geodriehoek. Je klemde de geodriehoek aan de tafel. Dit is de stabiele evenwichtssituatie, de geodriehoek beweegt niet. Vervolgens trok je aan de geodriehoek en liet hem los. Je haalt nu de geodriehoek uit de stabiele evenwichtssituatie. De geodriehoek beweegt steeds met een andere richting van de evenwichtssituatie af, dit is een trilling.

Een ander voorbeeld is een slinger. Bij een slinger beweegt ook een gewichtje heen en weer, van links naar rechts en terug. Wanneer het gewichtje uit de evenwichtsstand wordt gehaald en wordt losgelaten zal deze heen en weer gaan bewegen. Wanneer het gewichtje na één keer heen en weer terug is bij de beginstand kunnen we dat een trilling noemen.

Nu werd er gesteld dat de lucht rondom een geluidsbron ook begint te trillen en dat deze trilling door de lucht naar het oor van de ontvanger wordt gebracht. Dat betekend dus dat geluid een snelheid heeft.

Kijk het volgende filmpje over geluidssnelheid en trillingen voor een goede uitleg.
https://www.youtube.com/watch?v=x1Fo46kZgtA

Geluid kan dus worden gebruikt om afstanden te bepalen. Op zeeschepen worden bijvoorbeeld echoloden gebruikt die geluidsimpulsen uit sturen. Dat geluid gaat dan van het schip door het water naar de bodem, kaatst daar terug omhoog en komt weer bij het schip aan. Het tijdsinterval wat de geluidsimpuls bedraagt kan worden gebruikt om de afstand van het schip tot de bodem te berekenen.

Om even te oefenen met de snelheidsformule hier een aantal opdrachten:

Opdracht 1:
Een sprinter staat 50m van de man af die het startschot gaat lossen. Hoelang duurt het voordat het geluid van het startschot bij de sprinter aankomt?

Opdracht 2:
Kijk goed in je BiNaS, heeft de temperatuur van lucht invloed op de geluidssnelheid?

Opdracht 3:
Wanneer het bliksemt zie je altijd eerst de flits en even later pas de donder. Is de snelheid van licht groter, kleiner of gelijk aan de geluidssnelheid?

Opdracht 4:
Lucky Luke rijdt langs een steile rotswand van een diep ravijn. Als hij zijn pistool afschiet, hoort hij na 1,8 seconde de echo. Bereken hoe groot de afstand tussen Lucky Luke en de rotswand is. (Teken desnoods even de opstelling)

Opdracht 5:
Een onderzoekersschip meet de diepte van de Noordzee met een echolood. Het schip heeft een snelheid van 5 m/s. Om de 10 seconden zendt het echolood een geluidspuls uit.
Hoe groot is de geluidssnelheid in zeewater? (BiNaS)

Na 0,45 seconden komt de geluidspuls terug bij de boot. Hoe diep is de zee waar de boot momenteel vaart?

Opdracht 6:
Een meteoriet slaat in op de Maan. Kunnen seismologen (mensen die trillingen bestuderen) deze waarnemen op Aarde? Waarom wel/niet?

Opdracht 7:
Op 15 oktober doorbrak de Britse RAF-piloot Andy Green met een auto de geluidsbarrière. Hij haalde met zijn auto een topsnelheid van 1228 km/h. Omdat het record niet binnen 60 minuten kon worden verbroken werd deze poging niet opgenomen in het Guiness World Record.

Zoek eens op wat men bedoelt met de geluidsbarrière?

Reken de snelheid van Andy's auto om naar m/s

Is een snelheid van 1228 km/h genoeg op de geluidsbarrière te breken wanneer:
- de luchttemperatuur 20 graden Celcius is.
- de luchttemperatuur 0 graden Celcius is.

Zou Andy zijn record poging 's ochtends of 's middags hebben gereden?
 

 

Toonhoogte en trillingstijd

In deze paragraaf bespreken we de natuurkundige kant van toonhoogte, namelijk frequentie!
We hebben het hier al kort over gehad in een vorige paragraaf, maar hier diepen we de stof beter uit.

Begin met het kijken van dit filmpje over trillingen en frequentie:
https://www.youtube.com/watch?v=rfez7c-IeHM

De tijd die nodig is voor één volledige trillinig wordt de trillingstijd genoemd.


Frequentie:
Als je de trillingstijd kent, kun je het aantal trillingen per seconde berekenen. Als de trillingstijd 0,1 seconde is, gaan er 10 trillingen in één seconde. Als de trillingstijd 0,01 seconde is gaan er 100 trillingen in één seconde. Het aantal trillingen in één seconde noem je de frequentie.

Je kunt de frequentie uitrekenen met de formule:

\(f = {1 \over T}\)

Als je de trillingstijd T invult in seconde, vind je de frequentie f in hertz (Hz).


Stroboscoop:
Een stroboscoop is een lamp die met regelmatige tussenpozen een korte lichtflits geeft. Het aantal flitsen per seconde kun je nauwkeurig instellen, bijvoorbeeld 440 Hz. Als je daarna een trillende stemvork van 440 Hz aanslaat en in het licht van de stroboscoop zet, lijkt het net alsof hij stilstaat.

In het filmpje hieronder is de beweging van de stemvork vetraagd weergegeven. Je kunt hier goed zien dat de twee stangen van de stemvork regelmatig heen en weer bewegen.

https://www.youtube.com/watch?v=6kdwZIcm_Bg

In het filmpje hieronder wordt nog eens goed uitgelegd hoe een stroboscopische foto precies werkt.

https://www.youtube.com/watch?v=cSzpD5PtMXY

Toonhoogte:
Hoe hoog een toon klinkt, wordt bepaald door de frequentie (en dus ook de trillingstijd). Dat kun je nagaan met een toongenerator waarop je een luidspreker aansluit. Je hebt dan een elektronische stemvork waarvan je zelf de frequentie kunt instellen.

Als je de frequentie groter maakt (meer hertz), hoor je een hogere toon. Als je de frequentie kleiner maakt (minder hertz) hoor je een lagere toon.

Met een toongenerator kun je ook onderzoeken welke frequenties voor mensen te horen zijn. Je merkt dan dat het frequentiebereik loopt van 20 tot 20000 Hz. Geluid waarvan de frequentie kleiner is dan 20 Hz of groter dan 20000 Hz, kun je niet horen.
Naarmate je ouder wordt, wordt het frequentiebereik van je gehoor kleiner (vooral als het gaat om hogere tonen).

Toonhoogte bij snaarinstrumenten
Als je muziek maakt, produceer je tonen met een verschillende hoogte. Op een gitaar kun je 40-50 verschillende tonen maken. Op een piano ligt dit aantal zelfs op 88. Bij beide instrumenten worden de tonen gemaakt met behulp van snaren.

De toonhoogte van een snaar wordt bepaald door:
- de spanning van de snaar
- de doorsnede van de snaar
- de lengte van de snaar

Als je een gitaar stemt, verander je de spanning van de snaren. Als een snaar te laag klinkt, draai je hem strakker aan. Daardoor krijgt de snaar een grotere spanning. Hoe groter de spanning, des te hoger de toonhoogte van de snaar.

Een gitaar heeft snaren met verschillende doorsnede. Een dikke snaar geeft een lage toon, een dunne snaar geeft een hoge toon (als je de snaar aanslaat zonder in te drukken).

Wanneer je een deel van de snaar indrukt zal de snaar 'korter' worden, hierdoor wordt de toon die gespeeld wordt hoger. Deze techniek gebruiken gitaristen om verschillende melodieën en akkoorden te kunnen spelen.

En sommige mensen zijn daar verschrikkelijk goed in, zoals Guthrie Govan:
https://www.youtube.com/watch?v=aA8fzsE7tWU

Boventonen:
Een stemvork en een stroboscoop kunnen heel erg accuraat worden ingesteld om één toon, oftewel één frequentie, te laten zien of horen. In het echte leven is dat een stuk rommeliger. Geluidsbronnen produceren niet enkel een grondtoon maar ook verschillende boventonen. De combinatie van deze verschillende tonen samen maken dan het geluid wat je hoort.

Opdrachten:

1: Vul in wat er op de lege plekken moet staan

De tijd die nodig is voor ... wordt ook wel trillingstijd genoemd. 

Als de trillingstijd groter wordt, wordt de frequentie ...

Als de frequentie groter wordt, word de toon ...

Geluid waar van de frequentie kleiner is dan ... of groter is dan ... kunnen we niet horen.

Hoe korter de snaar hoe ... de toon.

Hoe dikker de snaar hoe ... de toon.

Hoe strakker een snaar gespannen is, des te ... is de toon.

2: Bereken

Toon speelt een toon en meet de trillingstijd. Deze trillingstijd bedraagt 50 ms (milliseconden). Bereken de frequentie van de toon.

Toon speelt een noot en meet de frequentie. De frequentie bedraagt 532 Hz. Bereken de trillingstijd.

Oscilloscopen

Oscilloscopen en de bijbehorende oscillogrammen:
Afbeeldingsresultaat voor oscilloscoop
Hiernaast zie je een afbeelding van een oscilloscoop. Een oscilloscoop is een apparaat wat tonen kan weergeven op een scherm. Deze tonen kan hij weergeven door op het scherm de trillingen van het geluid op te laten lichten. Wanneer een toon wordt weergeven op het scherm noemen we dat het oscillogram. 
Een oscillogram ziet er als volgt uit:

Een oscillogram kun je als volgt aflezen. Op de y-as staat de geluidssterkte afgebeeld. Deze geluidssterkte wordt vaak ook wel de amplitude genoemd. Hoe hoger de amplitude, hoe harder het geluid. Op de x-as wordt de tijd aangeduid, soms in seconden (bij hele lage frequenties) en soms in milliseconden (bij hoge frequenties).

Soms staat de tijd niet letterlijk op de x-as aangegeven, maar geeft het oscillogram aan hoeveel seconden één hokje bedraagt. Dit geven ze dan aan in ms/div. Dit betekent milliseconden per hokje.

Kijk maar naar de volgende afbeelding, misschien lukt het je zelf om de trillingstijd te bepalen:
Afbeeldingsresultaat voor ms/div

 

Je kunt in een oscillogram gebruiken om af te lezen wat de trillingstijd is van de geluidsgolf en wat de frequentie is. Hiervoor is een stappen plan handig:

1) Bepaal wat de trillingstijd is in het oscillogram. Dit kun je doen door naar één trilling te kijken en af te lezen wat de tijd is die de trilling nodig heeft om te voltooien. Let goed op of het de tijd in seconden of milliseconden staat. In onze afbeelding kunnen we zien dat één trilling 0,05 seconden duurt.

 

2. Je kunt ook meerdere trillingen bekijken. Je neemt bijvoorbeelde 3 trillingen en kijkt naar de tijd die daar bij hoor. Deel die totale tijd door 3 (het aantal trillingen) en je komt op het zelfde antwoord uit.

3. Bereken nu de frequentie. Dit doe je door de formule van vorige paragraaf te gebruiken.
f = 1 / T
f = 1 / 0,05 = 20Hz

Vergeet niet dat je frequentie altijd uitdrukt in hertz!

 

 

Hinderlijk geluid

Geluid kan heel hinderlijk zijn. Het is wel zo dat de een eerder door bepaalde geluiden gehinderd wordt dan de ander. Lawaai van vliegtuigen, het geraas van het verkeer en geluidsoverlast van buren ervaren veel mensen als hinderlijk.

Tegen geluidshinder kan op verschillende manieren wat gedaan worden:
- Bij de bron. Vliegtuigmotoren worden zo ontworpen dat ze zo weinig mogelijk lawaai maken. Snelwegen worden geasfalteerd met geluidsarm asfalt. Ook worden er geluidswallen en geluidsschermen langs snelwegen aangebracht. Omdat geluidswallen en geluidsbescherming bij de weg horen, worden ze door de regering als maatregel bij de bron gezien.
-Tussen de bron en ontvanger. Langs snelwegen zijn zones aangegeven waarin geen nieuwe huizen mogen worden gebouwd. Deze zones liggen tussen de bron (het verkeer) en de ontvanger (de mensen in de woonwijken verderop). Buiten deze zones mag de gemiddelde geluidssterkte overdag niet hoger zijn dan 50 dB (A).
- Bij de ontvanger. Huizen die te dicht bij een vliegveld staan, worden extra goed geïsoleerd; er kan dan veel minder geluid de huizen binnenkomen.

Geluidsisolatie:
Geluidshinder wordt vaak bestreden met geluidsisolatie. Huizen kunnen bijvoorbeeld geïsoleerd worden door dubbele beglazing aan te brengen.
Als een machine op een harde vloer staat, kan hij de vloer makkelijk in trilling brengen. de trillingen kunnen door de vloeren en muren alle kanten op bewegen. Dat kan veel geluidshinder veroorzaken. Je kunt de machine van de vloer isoleren door hem op rubberen doppen te zetten. Het rubber dempt de trillingen. De trillingen in de vloer worden daardoor veel zwakker.

Absorberen en terugkaatsen:
Geluid kun je laten verdwijnen in een geluiddempend materiaal. Het geluid wordt dan geabsorbeerd door het materiaal. Materiaal dat geluid moet absorberen, is zacht en heeft een ribbelig oppervlak. Daarom wordt nopjesschuim veel als geluidsisolerend materiaal gebruikt. Ook een dikke aarden wal langs de snelweg is een voorbeeld van een geluidsabsorberende maatregel.

Soms is er niet voldoende ruimte voor een dikke aarden geluidswal. In dat geval wordt er vaak een geluidsscherm langs de snelweg geplaatst. Geluid kan, net als licht, worden teruggekaatst. Een geluidsscherm kaatst het geluid schuin omhoog; het geluid gaat dan over de bebouwing langs de snelweg heen. Materiaal dat geluid moet terugkaatsen, is hard en heeft een glad oppervlak.

Schadelijk geluid:
Harde geluiden kunnen je gehoor beschadigen. Vanaf 80 dB is er kans op gehoorschade. Hoe groter de geluidssterkte, des te groter de kans op gehoorbeschadiging. Geluid van 120 dB is dus veel schadelijker dan geluid van 90 dB.
Of je gehoorschade oploopt, hangt niet alleen af van de geluidssterkte. Ook de tijdsduur dat je aan het geluid blootstaat, is van belang. Geluid van 86 dB is niet meteen schadelijk voor het gehoor. Maar als je er meer dan twee uur per dag aan blootstaat, is er wel een risico.

Rekenen met decibel:
Met de decibelschaal is iets bijzonders aan de hand. Dit merk je als je in een muzieklokaal de geluidssterkte gaat meten. Als er één leerling zicht, schommelt de geluidssterkte rond de 55 dB. Als er 32 leerlingen zingen, zou je verachten dat de geluidssterkte 32 keer zo groot wordt. Maar dat is niet zo; je meet slechts een geluidssterkte van 70 dB.
Als het aantal geluidsbronnen 32 keer zo groot wordt, wordt de geluidssterkte dus niet 32 keer zo groot. Hoe groot de geluidssterkte wel wordt, kun je berekenen met de volgende rekenregel:

Als het aantal geluidsbronnen twee keer zo groot wordt, neemt de geluidssterkte met 3 dB toe.

Dus:
één leerling = 55 dB
twee leerlingen = 58 dB
vier leerlingen = 61 dB

Kijk deze filmpjes over reflectie en absorptie van geluid:

https://www.youtube.com/watch?v=59Rs135rzHk

https://www.youtube.com/watch?v=JPYt10zrclQ

Microfoon en luidspreker

Microfoon en luidspreker

 

Permanente magneten:
In microfoons en luidsprekers (speakers) kom je twee soorten magneten tegen: permanente magneten en elektromagneten.

Permanente magneten worden meestal gemaakt van ijzer. Het woord permanent betekend: "blijvend, niet veranderlijk." Je kunt de magnetische kracht dus niet zomaar groter of kleiner maken.

De magnetische kracht is op twee plaatsen het grootst. Die plaatsen worden de noord- en de zuidpool van de magneet genoemd. Twee noordpolen stoten elkaar af, en twee zuidpolen doen dat ook. Maar als je een noord- bij een zuidpool brengt, trekken de twee polen elkaar aan.

Elektromagneten worden gemaakt door geïsoleerd koperdraad in een spiraalvorm te wikkelen. Als je stroom door zo'n spoel laat lopen, wordt hij magnetisch. Je kunt de sterkte van deze elektromagneet regelen door de stroomsterkte groter en kleiner te maken. Als je de stroom uitzet, verdwijnt de magnetische kracht weer.

Een elektromagneet heeft een noord- en zuidpool, net als een gewone magneet. Als je de stroom de andere kant op laat lopen, verwisselen de noordpool en zuidpool van plaats.

De sterkte van een elektromagneet hangt af van:
- De stroomsterkte door de spoel
- het aantal windingen van de spoel

Als je een elektromagneet wilt maken, moet je dus een spoel nemen met veel windingen en daar een grote stroom doorheen sturen.

De microfoon
Een microfoon is gemaakt om geluidstrillingen om te zetten in een elektrisch signaal. Je kunt dit signaal naar een versterker sturen of opnemen met een computerprogramma. Natuurlijk kun je ook dit signaal bekijken op het scherm van een oscilloscoop.

Hiernaast is een schematische weergave gegeven van een microfoon. De belangrijkste onderdelen zijn een magneet, een spoel en een membraan (een dun plaatje). De microfoon werkt als volgt:
1) Als er geluidstrillingen bij de microfoon aankomen, gaat het membraan trillen. De spoel die aan het membraan vastzit, beweegt mee.
2) Doordat de spoel heen en weer beweegt rond de magneet, verandert het magnetisch veld in de spoel voortdurend.
3) Door het veranderende magnetisch veld wordt er een wisselspanning opgewekt tussen de uiteinden van de spoel.

Het resultaat is een elektrisch signaal dat dezelfde informatie bevat als het oorspronkelijke geluid. Zowel de amplitude als de frequentie komen overeen.

De luidspreker
Een luidspreker (speaker) is gemaakt om een elektrisch signaal om te zetten in geluidstrillingen. Zo'n signaal is een spanning die voortdurend verandert: een wisselspanning.

Hiernaast is een afbeelding van een luidspreker weergegeven. De belangrijkste onderdelen zijn een magneet, een spoel en een conus (een dun rond vel). De luidspreker werkt als volgt:
1) Als je een wisselspanning op de uiteinden van de spoel ziet, gaat er een wisselstroom door de spoel lopen.
2) De spoel wordt dan een elektromagneet waarvan de polen steeds omwisselen.
3) De elektromagneet wordt afwisselend aangetrokken en afgestoten door de permanente magneet.
4) De elektromagneet laat de conus heen en weer bewegen. Op deze manier wordt de lucht rond de luidspreker in trilling gebracht.

Als je hard in (oude) luidssprekers schreeuwt kan deze onbedoeld gaan werken als microfoon.

 

Mono en Stereo

Mono:

Van 1895 tot ongeveer 1980 was de grammofoonplaat de belangrijkste geluiddrager. Op een grammofoonplaat is het geluid vastgelegd als een golfspoor, dat in de plaat is geperst. De naald van de platenspeler (grammofoon) volgt dit golfspoor en wordt zo in trilling gebracht. Door deze trillingen te versterken, kon het oorspronkelijke geluid weer hoorbaar gemaakt worden.

Tot 1958 werd alle muziek mono opgenomen. Dat houdt in dat er maar één signaal werd vastgelegd. Als je een mono grammofoonplaat afspeelt, krijg je dus maar één signaal terug. Om dit signaal hoorbaar te maken, heb je aan één geluidsbox genoeg.

Je kunt een mono signaal wel naar twee geluidsboxen toesturen, maar dan komt uit beide boxen precies hetzelfde geluid. Voor de luisteraar lijkt het of de muziek uit één punt komt, tussen de twee geluidsboxen in. Dat klinkt wat onnatuurlijk, want in het echt is muziek ruimtelijk: het geluid komt van verschillende kanten op je af.

Stereo:
In 1930 ontdekten wetenschappers dat je met twee geluidsboxen een ruimtelijk gevoel kunt oproepen. Je moet dan uit de ene box een (iets) ander geluid laten komen dan uit de andere box.

Het duurde nog lang voor deze ontdekking praktisch werd toegepast. Pas in 1958 kwamen de eerste stereo grammofoonplaten op de markt. Op zo'n stereo grammafoonplaat zijn (net als op een CD) twee signalen vastgelegd: één signaal voor de linker geluidsbox en één signaal voor de rechter geluidsbox. Er wordt ook wel gezegd dat stereo werkt met twee signalen.

Het ruimtelijk effect in stereogeluid wordt veroorzaakt door twee verschillen in het linker en het rechter signaal
1) Er wordt gewerkt met volumeverschillen: als het linker signaal harder is dan het rechter signaal, dan lijkt het geluid van links te komen.
2) Er wordt gewerkt met faseverschillen: in het ene signaal komt een geluid net iets eerder dan in het andere signaal.

Faseverschil:
Om te begrijpen hoe een faseverschil het geluid 'ruimtelijk' kan maken, moet je in gedachten recht voor de luidsprekers gaan zitten.

Als het linker signaal iets voorloopt op het rechter signaal, komt het geluid iets eerder bij je linker oor aan dan bij je rechter oor. Je krijgt dan het gevoel dat het geluid van links komt. Als iemand links van jou praat, is het geluid ook eerder bij je linker oor dan bij je rechter oor.

Surround:
In een stereo opname kun je wel het verschil horen tussen links en rechts, maar niet tussen voor en achter. Om het gevoel te krijgen dat het geluid van alle kanten op je af komt, heb je een surround systeem nodig. Een surround systeem bestaat uit 5 gewoone luidsprekers en een subwoofer. Vakmensen noemen dit een 5.1 surround systeem.

Op een dvd die je met een surround systeem kunt afspelen, zijjn zes verschillende signalen vastgelegd. De signalen 1 t/m 5 zijn bestemd voor de gewone geluidsboxen. Deze vijf signalen zorgen samen voor het ruimtelijk effect. Eén apart signaal is bestemd voor de subwoofer. Omdat mensen lage tonen niet goed kunnen 'plaatsen', maakt het niet uit dat deze tonen uit één luidspreker komen.

Kijk even naar het volgende filmpje. Hierin wordt uitgelegd hoe mono en stereo in studios wordt gebruikt.

https://www.youtube.com/watch?v=bIA59Jnm7vo

 

Project bestanden en links

Hieronder staan een aantal links naar YouTube. De filmpjes geven voorbeelden van zelfgemaakte instrumenten. Kijk ze eens door en schrijf eens op wat je allemaal ziet. Hoe werkt het apparaat, wat komt er allemaal kijken bij een ontwerp zoals deze etc.

Knikkermachine:
https://www.youtube.com/watch?v=IvUU8joBb1Q

Mondharmonica:
https://www.youtube.com/watch?v=_jF-4QRoQ7U

Kalimba:
https://www.youtube.com/watch?v=SVO4La1_KL0

Fluit:
https://www.youtube.com/watch?v=AGhA4-Q4VqI

Licht Inleiding

In dit hoofdstuk gaan we het hebben over licht. Hoewel we allemaal dagelijks met licht te maken hebben, is het toch erg moeilijk om je voor te stellen wat licht nu precies is. Die vraag en velen anderen gaan we de aankomende weken proberen te beantwoorden. De hoofdonderdelen die we gaan tegenkomen zijn de volgende:

•1) Wat is licht?

•2) Wat zijn kleuren?

•3) Op wat voor een manier ‘zien’ we?

•4) Hoe werken lenzen en spiegels?

•5) Op wat voor manieren wordt licht gebruikt.

•6) Van zon tot aarde.

Om deze vragen te kunnen beantwoorden en de onderdelen te kunnen bespreken hebben we een kennisbasis nodig. Deze kennisbasis bestaat uit een aantal begrippen en formules die je moet kennen.

Inleiding:
Allereerst is het belangrijk om te weten waar licht precies vandaan komt. We onderscheiden twee soorten lichtbronnen namelijk natuurlijke en kunstmatige lichtbronnen. Een natuurlijke lichtbron komt in de natuur voor, zoiets als de zon. Een kunstmatige lichtbron is gemaakt door de mens, zoiets als een lamp. Deze twee soorten lichtbronnen kunnen op hun beurt weer direct of indirect zijn. Een directe lichtbron geeft zelf licht, een lamp of de zon is dus een voorbeeld van een directe lichtbron. De maan of een spiegel is een vorm van een indirecte lichtbron, het lijkt alsof ze licht geven maar eigelijk reflecteren (terugkaatsen) ze alleen dat licht.

Absorberen en reflecteren:

Wanneer er licht valt op een kruk, weerkaatst niet al het licht wat daar op valt. Het licht wordt gedeeltelijk geabsorbeerd en gedeeltelijk diffuus teruggekaatst. Dat wil zeggen dat het licht dat op de kruk valt, in alle richtingen wordt weerkaatst. Dit is dus anders als spiegelende terugkaatsing. Spiegelende terugkaatsing wordt in de volgende paragraaf besproken.

Door lichtstralen te tekenen kun je laten zien hoe het licht bij een lichtbron vandaan beweegt. De pijlen geven de richting aan die het licht volgt. Lichtstralen zijn recht, want licht beweegt langs rechte lijnen.

In deze video worden de voorgaande begrippen nog eens uitgelegd:
https://www.youtube.com/watch?v=Gfhy49wZ6D4

 

Schaduw en Spiegels

Afbeeldingsresultaat voor schaduw randstralenSchaduw:

In de afbeelding hiernaast is getekend hoe een schaduw ontstaat. het licht van een lamp (lantaarnpaal) wordt door de auto geabsorbeerd en weerkaatst. Onder de tafel is een gebied waar het licht niet kan komen. Dat gebied noem je de schaduw van de tafel. De schaduw is dus de absentie van licht in een bepaald gebied.

Je kunt er als volgt achterkomen hoe de schaduw van een voorwerp eruitziet:
1) Teken de randstralen (de lichtstralen die net niet door het voorwerp worden tegengehouden.
2) Arceer het gebied tussen deze randstralen. Dit is de schaduw van het voorwerp.

Dit voorbeeld bevat echter maar uit één lichtbron. Wat gebeurt er wanneer er meerdere lichtbronnen aanwezig zijn? Dat zie je in de volgende afbeelding.

Afbeeldingsresultaat voor schaduw randstralenWaneer er twee lichtbronnen aanwezig zijn gelden dezelfde principes als bij het vorige voorbeeld. Nog steeds zijn er randstralen die de grenzen van de schaduwen aangeven. Echter, er zijn nu verschillende soorten schaduwen. Er is één kernschaduw, dat is de plek waar helemaal geen licht kan komen vanuit de lichtbronnen. En er zijn twee halfschaduwen, deze schaduwen bevatten enkel het licht van één lichtbron.

Wanneer er dus meer lichtbronnen worden gebruikt, zul je zien dat er ook meer verschillende schaduwen worden gevormd. Hoeveel verschillende schaduwen zul je vinden bij drie lichtbronnen?

Spiegels:Afbeeldingsresultaat voor spiegelende terugkaatsing
Een spiegel bestaat uit een glasplaat waarop een dun laagje metaal is aangebracht. Het metaal weerkaatst ongeveer 80% van het opvallende licht. Omdat het metaal erg glad is, wordt het licht niet diffuss weerkaatst, maar spiegelend (spiegelende terugkaatsing). Een lichtbundel die uit één richting komt, wordt ook in één richting teruggekaatst. Zie de afbeelding hiernaast.

Afbeeldingsresultaat voor spiegelende terugkaatsing
In de afbeelding hierboven zie je hoe een spiegel een smalle lichtbundel weerkaatst. Op de plaats waar de lichtbundel de spiegel raakt, is de normaal getekend. Dat is een lijn die loodrecht op de spiegel staat. Verder zijn de hoek van inval ( i ) en de hoek van terugkaatsing ( t ) aangegeven.

Bij terugkaatsing door een spiegel geldt:

Hoek van inval = Hoek van terugkaatsing

Deze regel wordt de spiegelwet genoemd. Met behulp van de spiegelwet kun je tekenen hoe een lichtbundel door een vlakke spiegel wordt teruggekaatst.

Spiegelbeelden zien:

Achter een spiegel lijkt zich een beeld te bevinden van je eigen wereld. In de afbeelding hiernaast is getekend hoe een spiegelbeeld ontstaat. Vanuit elk punt L van het voorwerp valt er licht op de spiegel. De spiegel kaatst dit licht terug naar je ogen. Daardoor lijkt het licht uit een punt B achter de spiegel te komen. B is één van de punten van het spiegelbeeld.

Een spiegelbeeld wordt een virtueel beeld genoemd. Daarmee wordt bedoeld dat het beeld niet echt is: het lijkt wel alsof er achter de spiegel iets is, maar er is niets. Je kunt een virtueel beeld niet zichtbaar maken op een scherm, je ziet het alleen als je in de spiegel kijkt.

Tekeningen maken met een spiegelbeeld:

Als een lichtbundel op een spiegel valt, wordt hij teruggekaatst. Je kunt de teruggekaatste bundel tekenen met behulp van de spiegelwet (i = t). Maar er is een handigere manier. Zie afbeelding en bijbehorende stappen.

Afbeeldingsresultaat voor spiegelbeeld tekenen1) Teken L' (het spiegelbeeld van de lichtbrond L)
2) Teken twee lichtstralen vanuit P naar de randen van de spiegel.
3) Teken de teruggekaatste lichtstralen alsof ze uit P' komen.
4) Je kunt nu de invallende en de teruggekaatste lichtbundel inkleuren.

Op een soortgelijke manier kun je het gezichtsveld van een spiegel bepalen. Het gezichtsveld is het gebied dat je via de spiegel kunt overzien. Je spiegelt dan niet de lichtbron, maar de waarnemer in de spiegel. Let er wel op dat je de richting van het licht juist tekent. Het licht beweegt naar de waarnemen toe (en niet erbij vandaan, zoals bij de lichtbron).

Een aantal oefenogaven kun je vinden bij deze twee links:

http://www.betavakken.nl/natuurkunde/Oefeningen/Golven%20en%20straling/Optica/Oefeningen%20klas%202a%20HV.pdf

http://www.roelhendriks.eu/Natuurkunde/w2B%20licht/licht%20theorie.pdf

 

 

Van infrarood tot ultraviolet

Het spectrum:

Als je naar een regenboog kijkt, zie je een reeks kleuren. Het licht van de zon wordt gesplitst in rood, orangje, geel, groen, blauw en violet (een soort paars). Zo'n reeks kleuren wordt een spectrum genoemd. De kleuren zelf heten spectraalkleuren. Spectraalkleuren zijn zuivere kleuren: je kunt ze niet verder splitsen.

Met een prisma kun je het spectrum zichtbaar maken. Dat is een driehoekig stuk glas. Het prisma splitst een bundel wit licht in de kleuren van de regenboog, van rood tot violet. 

Het omgekeerde kan ook. Als je de verschillende spectraalkleuren weer samenvoegt, krijg je wit licht. Wit licht is dus niet een aparte kleur, maar een mengsel van verschillende spectraalkleuren.

Kleur zien:
Afbeeldingsresultaat voor truiAls je de trui hiernaast bekijkt bij daglicht, zie je de trui als rood. Dat komt doordat de trui vooral rood licht weerkaatst. Andere kleurern worden door de trui geabsorbeerd. Als het weerkaatste rode licht in je ogen valt, zie jij een rode kleur. 

In werkelijkheid weerkaatst de rode trui niet alleen rood, maar ook een beetje oranje en geel. Het rood dat je ziet is dus een mengkleur. Deze mengkleur heeft hetzelfde effect op je ogen als de spectraalkleur rood (zuiver rood licht). Pas als je het weerkaatste licht door een spectroscoop bekijkt, zie je dat er verschillende spectraalkleuren inzitten. 

Als je rood licht op de trui laat vallen, ziet de trui er nog steeds rood uit. Dat verandert als je zuiver blauw licht op de trui laat vallen. Het blauwe licht wordt door de trui geabsorbeerd. De trui zal dan nog maar weinig licht weerkaatsen. Omdat er bijna geen licht van de trui afkomt, ziet hij er zwart uit of donkergrijs. 

Ultraviolet (UV):

De zon zendt behalve licht ook ultraviolette straling (UV-straling) uit. In het spectrum van zonlicht vind je de UV-straling naast het violet. De naam 'ultraviolet' betekent lettelijk 'voorbij het violet'. Mensen kunnen deze straling niet zien, maar er zijn dieren die dat wel kunnen. 

Er bestaat speciale UV-lampen. Deze lampen geven een beetje blauw licht, maar zenden vooral veel UV-straling uit. UV-lampen worden gebruikt in zonnebanken, in blacklights en in vliegenvangers. 

UV-straling kan sommige stoffen sterk laten oplichten. Je zegt dat dergelijke stoffen fluoresceren. De stof absorbeert UV-straling en geeft daarvoor in de plaats zichtbaar licht af. Fluorescerende stoffen worden onder andere toegepast in tl-buizen en bankbiljetten. Onder een UV-lamp licht de fluorescerende inkt van een echt bankbiljet duidelijk op. Een vervalsing waarvoor geen fluorescerende inkt gebruikt is, doet dat niet.

Bescherming tegen UV-straling:

In de zomer laat UV-straling van de zon je huid verkleuren. Je wordt bruin (als je verstandig zont) of rood (als je een overdosis straling oploopt.) Het is verstandig voorzichtig te zijn met zonnen. Zonnebrand is niet alleen vervelend, maar vergroot ook de kans op huidkanker.

Zonnebrandcrème bevat een UV-filter dat een deel van de UV-straling tegenhoudt. Als je zo'n crème gebruikt, verbrand je minder snel. Op de verpakking staat de beschermingsfactor. Dat is een getal dat aangeeft hoeveel keer je langer in de zon kunt blijven. Met een crème met factor 10 kun je 10x zo lang in de zon blijven.

Infrarood (IR):

De zon zendt, behalve licht en UV-straling, nog een derde soort straling uit: infrarood straling (IR). In het spectrum van zonlicht vind je infraroodstraling naast het rood. De naam 'infrarood' betekent letterlijk 'voor het rood'.

IR-straling wordt ook uitgezonden door voorwerpen om je heen. Hoe hoger de temperatuur van een voorwerp is, des te meer IR-straling het voorwerp uitzendt. Deze IR-straling wordt ook wel warmtestraling genoemd. Je kunt de straling fotograferen met een speciale infraroodcamera. De foto die dan ontstaat, noem je een warmtebeeld of thermogram.Afbeeldingsresultaat voor thermogram

Infraroodsensoren zijn gevoelig voor IR-straling. deze sensoren worden gebruikt in inbraakalarmsystemen en in automatische buitenlampen. Als je in de buurt van een IR-sensor komt, 'ziet' de sensor de IR-straling die jij uitzendt. Dan gaat het alarm af of de lamp aan.

Een andere toepassing van IR-straling is de afstandsbediening van een televisie. Een IR-led in de afstandsbediening zendt een knipperend signaal uit als je op een knopje drukt. Dit signaal wordt opgevangen door een IR-sensor in de televisie.

Beelden maken met een lens

Lenzen:

Lenzen zijn schijfjes van glas of kunststof. Je vindt ze in allerlei apparaten: fototoestellen, videocamera's, verrekijkers, beamers en ook in mobieltjes met een camera. Een lens is ontworpen om licht op een bepaalde manier te breken (van richting te veranderen).

Er zijn positieve lenzen en negatieve lenzen. Postieve lenzen zijn Afbeeldingsresultaat voor bolle en holle lenzenaan de rand dunner dan in het midden. Ze worden daarom ook wel bolle lenzen genoemd. Negatieve lenzen zijn aan de rand dikker dan in het midden. Daarom worden ze ook wel holle lenzen genoemd.

Lichtbreking bij positieve lenzen:

Met een positieve lens kun je een evenwijdige bundel zonlicht naar één punt laten bewegen. Je gebruikt zo'n lens dan als een brandglas. Voordat de lichtstralen op de lens vallen, lopen ze evenwijdig aan de hoofdas. De hoofdas is een lijn door het midden van de lens, loodrecht op de lens. Na de lens bewegen de lichtstralen naar elkaar toe. er is een convergente lichtbundel. Afbeeldingsresultaat voor bolle en holle lenzen

Het punt waar de lichtstralen bij elkaar komen, heet het brandpunt. In tekening zet je bij het brandpunt de letter F (van focus = brandpunt). De afstand tussen het midden van de lens en het brandpunt noem je de brandpuntsafstand, afgekort als f.

Een positieve lens heeft een convergente werking. Dat betekent dat de lichtstralen die op de lens vallen, worden afgebogen naar binnen (naar de hoofdas toe). Hoe sterker de de lens is, des te sterker is de convergerende werking.

Lichtbreking bij negatieve lenzen:

Een negatieve lens breekt een evenwijdige bundel uitéén. Na de lens beweegt het licht uit elkaar: er is een divergente lichtbundel ontstaan.

Afbeeldingsresultaat voor bolle en holle lenzen

Een negatieve lens heeft geen brandpunt waar de stralen bij elkaar komen. er is wel een punt vóór de lens waar de lichtstralen vandaan lijken te komen. Dit punt wordt het brandpunt genoemd. De brandpuntafstand van een negatieve lens is altijd een negatief getal. Het minteken geeft aan dat het brandpunt vóór de lens ligt (en niet erachter, zoals bij een positieve lens.)

Een negatieve lens heeft een divergerende werking. Dit betekent dat de lichtstralen die op de lens vallen, worden afgebogen naar buiten (bij de hoofdas vandaan). Hoe sterker de lens is, des te sterker is de divergerende werking.

Een beeld vormen op een scherm:

Met een positieve lens kun je een voorwerp afbeelden op een scherm. Dat doe je bijvoorbeeld als je een foto maakt. Bij camera's, projectoren en beamers, wordt het beeld gevormd door lichtstralen die op een scherm vallen. Zo'n beeld noem je een reëel beeld. Virtuele beelden zijn alleen te zien als je in een spiegel of door een lens kijkt. Op de plaats waar je dan een beeld lijkt te zien, is niets, ook geen licht. Daardoor kun je een virtueel beeld niet zichtbaar maken op een scherm.

Het beeld van een voorwerp door een positieve lens kun je leren tekenen.
Klik op de volgende link, klik op 'positieve lens' en scroll wat naar rechts, daar staat een stap voor stap instructie bij het kopje 'constructie tekening'. Bekijk deze stappen eens.

https://www.daltonmavo.nl/aristotle/licht.3.lenzen.php?arrangement=hgl2nask1&vraag=63&hoofdstuk=4&paragraafnr=2&antwoordkey=ewfuiihfeiufehw

  • Het arrangement Geluid is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Julian Haerkens
    Laatst gewijzigd
    2019-05-28 21:06:22
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    4 uur 0 minuten

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van