Tonhöjd och ljudstyrka

Ett ljud kan vara högt eller lågt på två helt olika sätt. Dels kan tonen vara ljus, som ett fågelkvitter, eller mörk, som en trumma. Dels kan ljudet vara starkt, som ett skrik, eller svagt, som en viskning. Tonhöjd och ljudstyrka är alltså två skilda egenskaper: en viskning kan vara ljus eller mörk, precis som ett skrik kan vara det.

Tonhöjden bestäms av frekvensen, det vill säga hur många gånger per sekund källan vibrerar, mätt i hertz (Hz). Ju fler vibrationer per sekund, desto ljusare ton. En tjock gitarrsträng vibrerar långsammare och ger en mörk ton, medan en tunn sträng vibrerar snabbare och ger en ljus ton, även om de är lika långa och spända med exakt samma kraft.

Ljudstyrkan bestäms i stället av amplituden, hur långt mediet svänger från sitt viloläge när källan vibrerar. En sträng som rör sig långt fram och tillbaka trycker ihop luften mer och ger ett starkare ljud än en sträng som nästan inte rör sig, oavsett vilken ton den spelar. Styrkan mäts ofta i decibel (dB) på en logaritmisk skala: en ökning med 10 dB tiofaldigar ljudets intensitet men upplevs ungefär som en fördubbling av styrkan. En viskning ligger runt 30 dB, ett vanligt samtal runt 60 dB, och långvarig exponering för ljud över omkring 85 dB kan skada hörseln permanent.

Människans öra uppfattar bara frekvenser mellan ungefär 20 Hz och 20 000 Hz (20 kHz). Toner under 20 Hz kallas infraljud och används till exempel av elefanter för kommunikation på långa avstånd, medan toner över 20 kHz kallas ultraljud och används av fladdermöss för att orientera sig. Hundar kan också höra en del ultraljud. Frekvens och amplitud är helt oberoende av varandra: ett ljud kan ha hög eller låg ton oavsett om det är starkt eller svagt, så en mörk bas kan dåna lika starkt som en ljus visselpipa.

Det här lär du dig

Skilja mellan tonhöjd och ljudstyrka som två oberoende egenskaper hos ett ljud
Förklara hur frekvensen avgör tonhöjden
Förklara hur amplituden avgör ljudstyrkan, och vad decibelskalan mäter
Beskriva människans hörselområde och vad infra- och ultraljud är

Begrepp att kunna

tonhöjd: Hur ljus eller mörk en ton uppfattas, bestämd av frekvensen hos vibrationerna som skapar ljudet.
frekvens: Antalet vibrationer per sekund, mätt i hertz (Hz). Fler vibrationer per sekund ger en ljusare ton.
ljudstyrka: Hur starkt eller svagt ett ljud är, bestämt främst av amplituden hos vibrationerna. Örat är dock känsligare för vissa frekvenser än för andra.
amplitud: Det största utslaget mediet gör när källan vibrerar. Ett större utslag ger ett starkare ljud.
decibel: Enheten för ljudstyrka (dB), på en logaritmisk skala. En ökning med 10 dB tiofaldigar ljudets intensitet.
ultraljud: Ljud med frekvens över människans hörselgräns, omkring 20 kHz. Kan inte höras av människor men används av till exempel fladdermöss, och hundar kan höra en del av det. Motsatsen är infraljud, under 20 Hz.

Vanliga svårigheter

Tror att en hög ton alltid är ett starkt ljud

Tonhöjd och ljudstyrka är oberoende av varandra. En ljus flöjtton kan spelas mycket svagt, och en mörk basston kan dåna starkt. Ordet hög används slarvigt för båda på svenska, men i fysiken är det frekvensen som avgör tonhöjden och amplituden som avgör styrkan.

Tror att decibel är en linjär skala

En ökning från 60 till 70 dB låter ungefär dubbelt så starkt, men innebär en tiofaldig ökning av ljudets intensitet, inte en fördubbling. Skalan är logaritmisk: varje steg på 10 dB multiplicerar intensiteten med tio, så samma antal decibel motsvarar en mycket större ökning av intensiteten högt upp på skalan än längre ner.

Tror att ultraljud inte kan påverka oss eftersom vi inte hör det

Att ett ljud ligger utanför det hörbara området betyder inte att det saknar effekt. Både infraljud och ultraljud är verkliga mekaniska vågor som kan kännas som vibrationer eller till och med skada kroppen vid hög nog styrka, trots att örat inte uppfattar dem som ton.

I verkligheten

En kontrabas och en piccolaflöjt spelar lika starkt

Kontrabasens strängar vibrerar långsamt och ger en mörk, låg ton, medan piccolaflöjtens luftpelare vibrerar snabbt och ger en ljus, hög ton. Instrumenten kan ändå spela lika starkt, eftersom tonhöjd och styrka går att ändra var för sig.

En hundvissla som inte hörs av människor men får hundar att reagera

Visslan skapar ljud med en frekvens över människans hörselgräns på omkring 20 kHz, så vi uppfattar ingenting. Hundar kan höra betydligt högre frekvenser och reagerar tydligt på samma vissling.

Tips

Sjung en ton och gör den gradvis ljusare utan att sjunga starkare. Lägg märke till att du kan ändra tonhöjden helt utan att ändra styrkan, det är precis skillnaden mellan frekvens och amplitud.
Memorera några referensvärden i decibel, till exempel viskning omkring 30 dB och normalt samtal omkring 60 dB, så får du en känsla för var nivån omkring 85 dB ligger i vardagen, där långvarig exponering börjar ge risk för hörselskador.
När du läser en uppgift om ljud, fråga dig först om den handlar om hur ljus eller mörk tonen är (frekvens) eller om hur starkt eller svagt ljudet är (amplitud). Det avgör vilket samband du ska använda.

Testa dig själv

1. En kontrabas spelas mycket svagt och en piccolaflöjt spelas mycket starkt. Vilken har högst tonhöjd och vilken är starkast, och varför går det att kombinera på det sättet?

Piccolaflöjten har högst tonhöjd, eftersom dess luftpelare vibrerar snabbast och ger högst frekvens. Kontrabasen är svagast, eftersom den spelas med minst amplitud. Det går att kombinera hög tonhöjd med svag styrka, och tvärtom, eftersom frekvens och amplitud är helt oberoende egenskaper hos ett ljud.

2. Ljudnivån ökar från 70 dB till 80 dB på en konsert. Hur mycket har ljudets intensitet egentligen ökat, och varför känns det bara som en fördubbling av styrkan?

En ökning med 10 dB motsvarar en tiofaldig ökning av ljudets intensitet, inte en fördubbling. Örat uppfattar styrka på ett logaritmiskt sätt, så en tiofaldig ökning av intensiteten känns bara som ungefär dubbelt så starkt för den som lyssnar.

3. Varför kan en elefant kommunicera med en annan elefant flera kilometer bort med ljud som ingen människa i närheten hör?

Elefanter kan sända ut infraljud, toner med frekvens under människans hörselgräns på omkring 20 Hz. Sådana låga frekvenser dämpas mindre i luften än högre frekvenser, så ljudet når långt, men eftersom det ligger under vårt hörbara område uppfattar vi det inte som ett ljud alls.

Ur kursplanen

Fysik åk 1–3 · Kropp och hälsa
Människans upplevelser av ljus, ljud, värme, smak och doft med hjälp av olika sinnen.
Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Hur ljud uppstår, breder ut sig och kan registreras på olika sätt.
Fysik nivå 2 · Krafter och rörelse
Vågrörelser och deras utbredning samt brytning, diffraktion och interferens. Stående vågor och resonans. Tillämpningar inom akustik.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Ljud – hur det uppstår och sprids

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: