Hur ljud registreras
När en ljudvåg når ditt öra är det första som händer att den träffar trumhinnan, ett tunt, spänt membran längst in i hörselgången. Trumhinnan börjar vibrera i exakt samma takt som tryckvågorna utanför, och det är den vibrationen som hela hörselsystemet sedan bygger vidare på.
Bakom trumhinnan sitter tre mycket små ben, hammaren, städet och stigbygeln, som för vibrationen vidare till snäckan, en spiralformad, vätskefylld struktur i innerörat. Benen fungerar som ett litet spaksystem, och eftersom trumhinnan är mycket större än det lilla fönstret in till snäckan ökar trycket kraftigt på vägen. Det gör att även mycket svaga vibrationer blir starka nog att sätta vätskan i snäckan i rörelse. Inne i snäckan sitter tusentals hårceller med små hårstrån som böjs när vätskan vibrerar, och det är dessa celler som omvandlar den mekaniska rörelsen till elektriska nervsignaler. Signalerna skickas sedan via hörselnerven till hjärnan, som tolkar dem som ljud.
En mikrofon bygger på samma grundidé, men helt mekaniskt och elektriskt. I en vanlig dynamisk mikrofon sitter ett tunt membran som vibrerar precis som trumhinnan när ljudvågor träffar det. Membranet är kopplat till en liten spole som rör sig i ett magnetfält, och den rörelsen skapar en elektrisk spänning som varierar i samma takt som ljudet. Vid en digital inspelning mäts denna spänning extremt ofta, till exempel 44 100 gånger per sekund, och varje mätning lagras som ett tal i en ljudfil.
En högtalare gör precis det motsatta. Den tar emot den elektriska signalen och leder den genom en spole i ett magnetfält, som får ett membran att vibrera i samma mönster som det ursprungliga ljudet. Membranets rörelse trycker ihop och glesnar luften omkring sig och skapar därmed nya tryckvågor, exakt den typ av vågor som en gång satte igång hela kedjan. Hela resan, från vibrerande källa till mikrofon eller öra, vidare som elektrisk signal eller nervsignal, och till slut tillbaka till ljud genom en högtalare, är grunden för allt från telefonsamtal till musikinspelningar.
Det här lär du dig
- Beskriva hur trumhinnan, hörselbenen och snäckan tillsammans tar emot och omvandlar ljud
- Förklara hur hårcellerna i snäckan omvandlar vibrationer till nervsignaler
- Förklara hur en dynamisk mikrofon omvandlar ljud till en elektrisk signal
- Beskriva hur en högtalare omvandlar en elektrisk signal tillbaka till ljud
Begrepp att kunna
- trumhinna
- Ett tunt, spänt membran längst in i hörselgången som vibrerar i takt med inkommande ljudvågor.
- hörselbenen
- Tre mycket små ben, hammaren, städet och stigbygeln, som för vibrationen från trumhinnan vidare till snäckan och förstärker den på vägen.
- snäcka
- En spiralformad, vätskefylld struktur i innerörat som innehåller hårcellerna, de egentliga ljudsensorerna.
- hårceller
- Mikroskopiska sensorceller i snäckan med små hårstrån som böjs när vätskan vibrerar. Cellerna omvandlar rörelsen till elektriska nervsignaler.
- mikrofon
- En enhet med ett vibrerande membran som omvandlar ljudets tryckvågor till en elektrisk signal, till exempel via en spole som rör sig i ett magnetfält.
- högtalare
- En enhet som gör motsatsen till en mikrofon: den omvandlar en elektrisk signal till vibrationer i ett membran och skapar därmed nya tryckvågor i luften.
Vanliga svårigheter
Tror att hörselbenen själva skapar ljud
Hörselbenen gör inget ljud och lägger inte till något eget. De är helt passiva: de för bara vidare och förstärker den vibration som redan finns i trumhinnan, ungefär som en mekanisk spak, innan den når snäckans vätska.
Tror att en mikrofon hör på samma sätt som ett öra
En mikrofon saknar hörselben, snäcka och hårceller. En dynamisk mikrofon har bara ett membran kopplat till en spole i ett magnetfält, som omvandlar vibrationen direkt till en elektrisk signal. Principen, att något vibrerande omvandlas till en signal, är densamma, men den tekniska lösningen skiljer sig helt från örats biologiska kedja.
Blandar ihop mikrofonens och högtalarens riktning
En mikrofon omvandlar ljudets tryckvågor till en elektrisk signal. En högtalare gör precis det motsatta: den tar en elektrisk signal och skapar tryckvågor i luften. Att en dynamisk mikrofon och en högtalare liknar varandra i uppbyggnad, båda har ett membran och en spole, gör det lätt att glömma att processen går åt helt olika håll.
I verkligheten
Du spelar in din röst i en telefon och skickar ljudmeddelandet till en kompis
Telefonens mikrofon omvandlar din röst till en elektrisk signal som mäts tiotusentals gånger per sekund och lagras som siffror i en ljudfil. När kompisen spelar upp meddelandet omvandlar högtalaren i hens telefon samma siffror tillbaka till vibrationer i luften, så att rösten hörs igen.
En elgitarr spelas in i en musikstudio med en mikrofon framför förstärkarens högtalare
Mikrofonens membran vibrerar med gitarrljudet och skickar en elektrisk signal till inspelningsutrustningen, på samma sätt som ljudvågorna annars skulle få din trumhinna att vibrera. Signalen kan sedan lagras, bearbetas och till slut spelas upp genom en högtalare som återskapar ljudet.
Tips
- Rita hela kedjan som ett flödesschema: trumhinna, hörselben, snäcka, hårceller, hörselnerv, hjärna. Skriv vid varje steg om det handlar om en mekanisk vibration eller en elektrisk signal, så blir övergångarna tydliga.
- Jämför en mikrofon och ditt eget öra genom att peka ut vilken del som motsvarar vilken: mikrofonens membran motsvarar trumhinnan, och mikrofonens elektriska signal motsvarar till slut de nervsignaler som når hjärnan.
- Testa att prata i en mikrofon kopplad till en högtalare i ett annat rum och lägg märke till hela resan ljudet gör: din röst, mikrofonens membran, den elektriska signalen i sladden, och till sist högtalarens membran som skapar ljudet på nytt.
Testa dig själv
1. Beskriv i rätt ordning vad som händer från att en ljudvåg träffar ditt öra till att du uppfattar ett ljud.
Ljudvågen får först trumhinnan att vibrera. Vibrationen förs vidare och förstärks av hörselbenen, hammaren, städet och stigbygeln, innan den når snäckans vätska. Vätskan sätter hårcellerna i snäckan i rörelse, och dessa celler omvandlar rörelsen till elektriska nervsignaler som hörselnerven skickar till hjärnan, där de tolkas som ljud.
2. En mikrofon och en högtalare ser ofta likadana ut inuti, med ett membran och en spole i ett magnetfält. Vad är den avgörande skillnaden mellan hur de används?
En mikrofon utgår från en mekanisk vibration, ljudets tryckvåg mot membranet, och skapar en elektrisk signal som resultat. En högtalare utgår i stället från en elektrisk signal och skapar en mekanisk vibration, ett membran som rör sig och trycker på luften. Samma typ av uppbyggnad används alltså åt två helt motsatta håll.
3. Varför räcker det inte att tryckvågorna bara träffar snäckan direkt, utan att trumhinnan och hörselbenen behövs på vägen?
Tryckvågorna i luften är för svaga för att på egen hand sätta vätskan i snäckan i ordentlig rörelse. Trumhinnan fångar upp vibrationen från ett relativt stort område, och hörselbenen för den som ett spaksystem vidare till ett mycket mindre fönster in till snäckan, så att trycket blir mycket större, så att även svaga ljud blir starka nog att registreras av hårcellerna.
Ur kursplanen
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Hur ljud uppstår, breder ut sig och kan registreras på olika sätt.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: