2. Ääni Äänen tutkimusta kutsutaan akustiikaksi. Akustiikassa tutkitaan äänen tuottamista, äänen ominaisuuksia, soittimia, musiikkia, puhetta, äänen etenemistä ja kuulemisen fysiologiaa. Ääni kuljettaa energiaa, ja on osa useiden eläinten aistimaailmaa ja tiedonvälitystä. Ero naisen ja miehen äänen korkeuksien välillä johtuu miehen ja naisen äänihuulten erilaisista värähtelytaajuuksista: naisilla 200-300 Hz ja miehillä n. 100 Hz. Keuhkot, suu ja nenäontelo vahvistavat äänen.
2.1 Ääni aaltoliikkeenä Ääni on pitkittäistä mekaanista aaltoliikettä, joka etenee aineen rakenneosasten värähtelynä (tarvitsee väliaineen!) ja aiheuttaa kuuloaistimuksen. Ääni on seurausta mekaanisen värähtelijän väliaineeseen aiheuttamista paineineaalloista.
Ääni käyttäytyy kuten mikä tahansa aaltoliike mm. taittuu kahden aineen rajapinnalla.
Äänen nopeus Tiheät ja kovat aineet johtavat ääntä pehmeitä ja keveitä aineita paremmin (äänen nopeus on niissä suurempi). Kaasussa äänen nopeus (v 1 ) lämpötilassa (T 1 ) saadaan yhtälöstä v 1 = v 2 T 1 T 2 T 2 on lämpötila, jossa äänen nopeuden tiedetään olevan v 2.
Huojunta Kaksi taajuudeltaan hieman toisistaan poikkeavaa ääntä aiheuttaa interferoidessaan huojunnan eli äänen jaksottaisen vaihtelun. Huojuntataajuus on f = f 1 f 2, missä f 1 ja f 2 ovat interferoivien aaltojen taajuudet.
Seisova aalto ilmapatsaassa Puhallinsoitinten toiminta perustuu soittimessa olevaan ilmapatsaaseen muodostuvaan seisovaan ääniaaltoon. Syntyvää seisovaa aaltoa voi kuvata havainnollisuuden vuoksi poikittaisella aaltoliikkeellä, vaikka se oikeasti onkin pitkittäistä. Perusvärähtely ja kaksi ylävärähtelyä molemmista päistään avoimessa putkessa. Perusvärähtely ja 1. ylävärähtely toisesta päästään suljetussa putkessa.
2.2 Äänen kuuleminen Kuuloaistimus syntyy, kun väliaineessa etenevät painevaihtelut saavat korvan tärykalvon ja siihen kiinnittyneet kuuloluut värähtelemään. Värähtely muuntuu sähköisiksi impulsseiksi, jonka aivot tulkitsevat ääneksi.
Intensiteetti ja intensiteettitaso Äänen intensiteetti on I = P A Pistemäisestä äänilähteestä joka suuntaan etenevän palloaallon intensiteetti jakautuu pallopinnalle (A = 4πr 2 ). P P = Äänen teho = Painevaihteluiden kuljettama energia aikayksikköä kohti A = Äänen etenemissuuntaan nähden kohtisuora pinta-ala. I = P A = 1 W 1 m 2 Tällöin I = 4πr2, joten samasta äänilähteestä lähtevien äänten intensiteettien suhde eri etäisyyksillä on I 1 = P/4πr 1 I 2 P/4πr 2 = r 2 2 2 r 1 2
Äänen intensiteettitaso Ihmisen korva erottaa heikosti äänen intensiteetin muutokset ja siksi äänen voimakkuutta kuvataankin intensiteetin sijaan ns. äänen intensiteettitasolla L = 10lg I I 0 db I = Äänen intensiteetti I 0 = 10 12 W m2 = kuulokynnyksen intensiteetti Äänen intensiteettitaso noudattaa ns. logaritmista asteikkoa (vrt. Richterin asteikko), jossa 10 db nousu vastaa intensiteetin kymmenkertaistumista.
Melu Kaikkea häiritsevää, haitallista tai vahingollista ääntä kutsutaan meluksi. Melu voi aiheuttaa hetkellisen kuulovamman tai pysyvän kuulovaurion, joka havaitaan heikentyneenä kuulona tai tinnituksena eli ylimääräisenä kuulohavaintona, joka aiheutuu korvan aistinkarvasolujen ylivilkastumisesta. Melu voi olla vaarallista, koska siihen turtuu helposti eivätkä kuulovauriot parane. Melua voidaan vähentää suunnittelemalla meluesteitä ja rakenteita, jotka vähentävät melua. Infraääni on taajuusalueen 5 Hz 10 Hz värähtelyä. Sitä ei varsinaisesti kuule, mutta se voi hermostollisten vaikutusten takia olla haitallista.
Kuulokynnys 1000 Hz taajuudella on 0 db (vastaa intensiteettiä I 0 = 10 12 W/m 2 ). Desibeliasteikko ei ala nollasta. Tarkkakuuloinen voi kuulla ääniä, joiden voimakkuus on negatiivinen desibeliasteikolla. Ihmiskorvan kipukynnys on 120-125 db. Pitkäaikainen oleskelu 80-90 db melussa voi aiheuttaa pysyvän kuulovamman. Välittömän kuulovaurion voi saada yli 140 db melussa. Ihminen ei erota alle 3 db äänen intensiteettitason muutoksia. Ihmisen kuulohavainto riippuu intensiteetin (ja siten intensiteettitason) lisäksi äänen taajuudesta. Foniasteikko ottaa huomioon ihmisen havaitseman äänen voimakkuuden riippuvuuden taajuudesta. Foni- ja desibeliasteikot vastaavat toisiaan, kun äänen taajuus on 1 khz.
Dopplerin ilmiö Havaitsijaa kohti liikkuvan aaltolähteen lähettämät aaltorintamat pakkautuvat tiiviimmin lähteen ja havaitsijan väliin. Havaitsijasta poispäin kulkevasta aaltolähteestä lähtevät aaltorintamat asettuvat harvempaan lähteen ja havaitsijan väliin. v 1
Riippuen siitä tuleeko aaltolähde havaitsijaa kohti vai meneekö siitä poispäin, havaitsija havaitsee äänen joko korkeammalla tai matalammalla taajuudella kuin mitä taajuus oikeasti on. Dopplerin ilmiössä havaittu taajuus f saadaan yhtälöstä f = f 0 v v ± v 1 f 0 = aaltolähteen taajuus v = aaltoliikkeen nopeus (esim. äänen nopeus) v 1 = aaltolähteen nopeus havaitsijan suhteen + aaltolähde loittonee - aaltolähde lähestyy
2.3 Ultraääni Ihmisen kuulotaajuuden ylärajan ylittävää ääntä kutsutaan ultraääneksi. Ultraäänen taajuusalue on noin 20 khz 1000 MHz. Paljon sovelluksia pienen aallonpituuden ja tarvittaessa suuren intensiteetin vuoksi: kaikuluotaus, ultraäänitutkimus, nivelvaurioiden hoito (nivelkalvon lämmitys), sappikivien pilkkominen, esineiden puhdistus ja desinfiointi.