Mitä ääni on?
Fysiikan näkökulmasta ääni ei ole muuta kuin ilmassa esiintyvää näkymätöntä värähtelyä. Korvissamme se muuntuu hermoimpulsseiksi, joita aivot tulkitsevat.
Mozartin sinfoniat, porakoneen jyrinä ja lepakon kirkaisu. Ihmisen sisäkorvan ja aivojen yhteistyö ratkaisee, miten kukin kokee eri äänet.
Miten ääni syntyy?
Jos vaikkapa lyöt käsiäsi yhteen, laulat pätkän iskelmää tai soitat musiikkia kaiuttimien kautta, saat aina ilman molekyylit liikkeeseen eli toisin sanoen tuotat ääniaaltoja. Molekyylien tiheys (äänenpaine) vaihtelee, ja se ratkaisee, miten ääni loppujen lopuksi vastaanotetaan.
Miten kuulemme äänet?
Ihmiskorva on ”suunniteltu” vangitsemaan ääniaaltoja. Korva koostuu kolmesta osasta – ulko-, väli- ja sisäkorvasta:
1. Ulkokorva vangitsee äänen.
Ilman ääniaallot osuvat ulkokorvaan. Se johtaa ne korvakäytävän kautta tärykalvolle, joka erottaa ulkokorvan välikorvasta.
2. Välikorva vahvistaa ääntä.
Ääniaallot siirtyvät tärykalvolle, joka alkaa värähdellä. Liike aktivoi kolme pientä kuuloluuta (vasaran, alasimen ja jalustimen), jotka vahvistavat ääntä ja lähettävät sen edelleen sisäkorvaan.
3. Sisäkorva tulkitsee äänen.
Sisäkorvassa on nestettä, joka alkaa värähdellä ääniaaltojen saapuessa. Värähtely liikuttaa tuhansia mikroskooppisia kuuloreseptorisolujen värekarvoja, jotka tuottavat hermoimpulsseja. Ne taas välittyvät aivokuorella sijaitsevaan kuulokeskukseen, joka tunnistaa ne ääniksi.
Minkälaisia ääniä ihminen kuulee?
Se, mitkä äänet ihmiskorva pystyy kuulemaan, riippuu äänen frekvenssistä eli taajuudesta, joka taas tarkoittaa ääniaaltojen määrää sekuntia kohden. Taajuuden mittayksikkö on hertsi, joka lyhennetään Hz. Äänen korkeus riippuu juuri sen taajuudesta.
Ihminen kuulee yleensä taajuudet, jotka ovat 20:n ja 20 000 hertsin välillä. Monet eläimet sen sijaan kuulevat ääniä, joiden taajuus on paljon korkeampi, niin sanottuja ultraääniä. Taajuudeltaan alle 20 hertsin ääniä kutsutaan infraääniksi. Niitä ei voi korvin kuulla.
Miten ääntä mitataan?
Ääntä mitataan eri menetelmillä sen mukaan, mistä äänen ominaisuudesta halutaan tarkempaa tietoa.
Äänen korkeus mitataan rekisteröimällä ääniaaltojen määrä sekuntia kohden. Mittayksikkö on hertsi.
Voimakkuus mitataan desibeleissä. Desibeliasteikko on logaritminen. Siinä 0 desibeliä ei ole täydellistä hiljaisuutta, vaan se ilmaisee sitä äänenpaineen tasoa, jonka ihmiskorva vielä havaitsee. Jos äänenpaine on 10 kertaa niin suuri kuin 0 desibelissä, äänen voimakkuus on 10 desibeliä – ja jos äänenpaine on 100 kertaa niin suuri, sen voimakkuus on 20 desibeliä. Noin 85 desibelissä ääni alkaa olla niin voimakasta, että korvat pitää suojata, ja kipukynnys on 125 desibelin vaiheilla.
Nopeus mitataan yksinkertaisesti kilometreinä per tunti. Äänen nopeus ei ole vakio, vaan se riippuu paineesta, ilmankosteudesta ja lämpötilasta sekä väliaineesta, jossa se etenee.
Normaalissa ilmanpaineessa merenpinnan tasossa ja 15 celsiusasteen lämpötilassa ääni kulkee ilmassa 1 225 kilometrin tuntinopeudella. Vedessä ääni etenee yli neljä kertaa niin nopeasti, ja kiinteissä aineissa vielä sitäkin nopeammin.
Kappaleen tai virtauksen nopeutta suhteessa äänen nopeuteen ilmaistaan Machin luvulla. Maailman tähän mennessä nopein kone, Lockheed SR-71 Blackbird, on lentänyt kolminkertaisella äänen nopeudella – eli sen Machin luku on 3.
Mihin ääntä voidaan käyttää?
Koska ääni-sanalla tarkoitetaan vain ilmassa tapahtuvia värähtelyjä – tai aaltoja – ja se on siis fysikaalinen suure, se vaikuttaa ympäristöönsä monilla tavoilla. Etenkin äänillä, joiden taajuutta ihmiskorva ei pysty vastaanottamaan, on monia käyttötapoja:
Eläimet saalistavat äänellä
Jotkin eläimet käyttävät hyvin korkeita ääniä – ultraääniä – navigointiin tai saalistukseen. Esimerkkejä tästä ovat lepakot ja hammasvalaat, kuten pyöriäiset ja delfiinit. Eläimet lähettävät ultraääni-impulsseja ja kuuntelevat sitten äänen kaikua. Kaiku kertoo eläimelle, mihin ultraääni on osunut ja kuinka kaukana kohde on.
Kaikuluotain jäljittelee eläinten aisteja
Ihminenkin on keksinyt käyttötapoja korvin kuulumattomille korkeataajuuksisille äänille. Esimerkiksi kaikuluotain lähettää veden alle lyhyitä ultraääni-impulsseja, joista heijastuvat signaalit se vastaanottaa ja analysoi.
Kaikuluotauksella voidaan määrittää vaikkapa veden syvyys laivan pohjan alla tai paikantaa vedestä kalaparvia, sukellusveneitä ja laivanhylkyjä.
Ultraääni nujertaa syövän
Ultraäänestä on hyötyä myös lääketieteessä, sillä erilaiset kudokset heijastavat ääntä eri tavoilla. Ultraäänikuvauslaitteessa käytetään ääniä, joiden taajuus on useita miljoonia hertsejä. Menetelmällä nähdään hyvin ihmisen sisäelimiin.
Useimmat raskaana olevat kuvataan ultraäänellä raskauden normaalin etenemisen varmistamiseksi. Nykyisillä kuvauslaitteilla saadaan sikiöstä erittäin yksityiskohtaisia kolmiulotteisia kuvia.
Hyvin intensiivisiä, keskitettyjä ultraääniaaltoja voidaan käyttää myös tietynlaisten syöpäkasvainten tuhoamiseen.
Ultraäänen avulla saadut 3D-kuvat antavat lääkäreille ja tuleville vanhemmille tietoja siitä, miten sikiö kehittyy kohdussa.
Infraääni jäljittää räjähdyksiä
Ihminen ei kuule myöskään hyvin matalataajuuksisia ääniä – niin sanottuja infraääniä. Jos ääni kuitenkin on tarpeeksi voimakas, sen voi kuulemisen sijasta tuntea. Jotkin valaat viestivät infraäänillä, ja ihminen on keksinyt menetelmiä, joilla matalia ääniä voidaan hyödyntää maanjäristysten kartoittamisessa ja öljylähteiden etsinnässä.