Ses dalgaları

Yaz akşamı uzaktan bir fırtına yaklaşırken önce gökyüzünü aydınlatan bir şimşek görülür; birkaç saniye sonra da gök gürültüsü duyulur. İkisi aynı anda, aynı yerde oluşmuştur; aradaki gecikme, sesin ışıktan çok daha yavaş yol almasından kaynaklanır. Gecikmeyi sayan biri fırtınanın ne kadar uzakta olduğunu kabaca kestirebilir. Bir vadide bağırınca sesinizin birkaç saniye sonra karşı yamaçtan geri gelmesi, bir keman ile bir flütün aynı notayı çaldığı hâlde birbirinden kolayca ayırt edilmesi, yarasaların karanlıkta böcek avlayabilmesi ve doktorların anne karnındaki bebeği görüntüleyebilmesi de ses dalgalarının özellikleriyle açıklanır. Önceki derslerde dalgaların genel özelliklerini, yay ve su dalgalarını inceledik. Bu derste duyduğumuz dünyaya geçiyoruz: sesin nasıl oluştuğunu ve yayıldığını, farklı ortamlardaki hızını, sesin yüksekliği, şiddeti ve tınısını, işitme aralığını, yankıyı ve sesin teknolojideki kullanımını öğreniyoruz.

• Sesin titreşimle oluşan, ortam gerektiren boyuna bir mekanik dalga olduğunu açıklarsın.
• Sesin hızını ortamlara göre karşılaştırır, v = λ · f ve yol-zaman hesaplarını yaparsın.
• Sesin yüksekliğini frekansla, şiddetini genlikle, tınısını kaynağın özelliğiyle ilişkilendirirsin.
• Yankı, sonar ve ultrason uygulamalarında uzaklık hesaplarsın.

Ses nasıl oluşur ve yayılır?

Her ses bir titreşimle başlar. Bir gitar teli, bir davulun derisi ya da konuşurken ses tellerimiz titreşir ve çevrelerindeki havayı da titreştirir. Titreşen yüzey ileri gittiğinde önündeki havayı sıkıştırır, geri çekildiğinde seyreltir. Bu sıkışma ve seyrelmeler hava tanecikleri aracılığıyla her yöne yayılır. Hava molekülleri sesin yayıldığı doğrultu boyunca öne ve arkaya salınır; bu yüzden ses boyuna bir dalgadır.

Ses yayılmak için maddesel bir ortama ihtiyaç duyar; mekanik bir dalgadır. İçinden havası boşaltılan bir fanusun içindeki çalar saat çalmaya devam etse de sesi giderek duyulmaz olur. Uzayda, boşlukta ses yayılamaz. Astronotların uzay yürüyüşü sırasında birbirleriyle telsizle, yani elektromanyetik dalgalarla konuşmasının nedeni budur; kasklarını birbirine dokundurduklarında ise ses katı kasklar üzerinden iletilebilir.

Sesin hızı

Ses katılarda en hızlı, sıvılarda daha yavaş, gazlarda en yavaş yayılır. Havada, oda sıcaklığına yakın koşullarda sesin hızı yaklaşık 340 m/s alınır. Suda bunun birkaç katı, çelikte ise daha da hızlıdır. Bir demiryolu rayına kulağını dayayan birinin uzaktan gelen treni, havadaki sesini duymadan önce duyabilmesi bu yüzdendir. Havada sıcaklık arttıkça ses biraz daha hızlı yayılır.

Ses, dalgaların genel ilişkisine uyar: v = λ · f. Havada 340 Hz frekanslı bir sesin dalga boyu 1 m'dir. Ses havadan suya geçerken frekansı değişmez; hızı arttığı için dalga boyu uzar.

Şimşek ile gök gürültüsü arasındaki süre, fırtınanın uzaklığını verir. Işık neredeyse anında ulaştığı için gecikmenin tamamı sesin yol alma süresidir. Gök gürültüsü şimşekten 4 saniye sonra duyuluyorsa fırtına yaklaşık 340 · 4 = 1360 m uzaktadır.

Yükseklik, şiddet ve tını

Sesleri birbirinden ayıran üç özellik vardır:

• Sesin yüksekliği (incelik ya da kalınlık), frekansa bağlıdır. Frekansı büyük olan ses ince (tiz), frekansı küçük olan ses kalın (pes) duyulur. Bir kuş cıvıltısı ince, bir davul gümbürtüsü kalındır.
• Sesin şiddeti (gürlük), genliğe bağlıdır. Genliği büyük olan ses daha çok enerji taşır ve daha yüksek duyulur. Ses düzeyi desibel (dB) ile ölçülür. Bir müzik çalarda ses düğmesini açmak genliği artırır, notaların frekansını değiştirmez.
• Tını, sesin kaynağına özgü niteliktir. Aynı frekansta ve aynı şiddette çalınan bir notayı keman ve flüt farklı tınılarla üretir; çünkü her çalgının titreşimi, temel frekansın üzerine farklı oranlarda eklenen başka frekanslar da içerir. Tanıdık bir kişiyi görmeden sesinden tanıyabilmemiz tını sayesindedir. Telefonda konuşurken karşımızdakini hemen tanımamız da aynı özelliğe dayanır.

İşitme aralığı

İnsan kulağı yaklaşık 20 Hz ile 20 000 Hz arasındaki frekansları duyabilir; bu aralık yaşla birlikte daralır, en çok yüksek frekanslar zor duyulmaya başlar. 20 Hz'in altındaki seslere ses altı (infrases), 20 000 Hz'in üstündeki seslere ses ötesi (ultrases) denir. Bazı hayvanlar bu aralığın dışını duyabilir. Yarasalar ve yunuslar ses ötesi çığlıklar çıkarıp bunların yankılarını dinleyerek karanlıkta ya da bulanık suda yön bulur ve av yakalar.

Yankı ve uzaklık ölçme

Ses bir yüzeye çarptığında yansır. Yansıyan sesin kaynağa geri dönüp ayrıca duyulmasına yankı denir. Yankıda ses, engele kadar gidip geri döner; bu yüzden engelin uzaklığı, sesin toplam yolunun yarısıdır:

d = v · t / 2

Bir vadide bağıran birinin sesi 3 saniye sonra geri geliyorsa karşı yamaç 340 · 3 / 2 = 510 m uzaktadır.

Aynı ilke teknolojide yaygın olarak kullanılır. Gemilerdeki sonar cihazları suya ses dalgaları gönderip deniz tabanından ya da balık sürülerinden dönen yankıları ölçerek derinliği ve konumu bulur. Hastanelerdeki ultrason cihazları, vücuda gönderilen ses ötesi dalgaların farklı dokulardan farklı biçimde yansımasını kullanarak iç organların ve anne karnındaki bebeğin görüntüsünü oluşturur.

Gürültü ve ses yalıtımı

İstenmeyen, rahatsız edici seslere gürültü denir. Uzun süre yüksek şiddetli seslere maruz kalmak işitmeye kalıcı zarar verebilir; bu yüzden gürültülü iş yerlerinde kulak koruyucu kullanılır ve kulaklıkla müzik dinlerken ses düzeyi düşük tutulmalıdır. Sesin yayılmasını azaltmak için yumuşak ve gözenekli malzemeler kullanılır; perdeler, halılar ve özel köpükler ses enerjisini soğurur, sert ve düz yüzeyler ise sesi yansıtır. Konser salonları, hem yankının sesi bulandırmasını önleyecek hem de sesi bütün dinleyicilere eşit ulaştıracak biçimde, yansıtan ve soğuran yüzeylerin dengesi düşünülerek tasarlanır.

Hareket eden kaynak

Siren çalan bir ambulans yaklaşırken sesi daha ince, uzaklaşırken daha kalın duyulur. Kaynak yaklaşırken dalga tepeleri dinleyiciye daha sık ulaşır ve algılanan frekans artar; uzaklaşırken seyrekleşir ve frekans azalır. Bu olaya Doppler olayı denir. Ambulansın sireni aslında hep aynı frekansta çalmaktadır; değişen, dinleyiciye ulaşan frekanstır.

Soru çözme sırası

Önce sorunun hız, dalga boyu, uzaklık ya da ses özelliği mi istediği belirlenir. Uzaklık sorularında yankı olup olmadığına bakılır; yankıda süre ikiye bölünür. Ses özelliği sorularında yükseklik frekansla, şiddet genlikle, tını kaynakla eşleştirilir. Ortam değişiminde frekansın sabit kaldığı unutulmaz.

Örnek 1 — Yankı

Soru: Ses hızını 340 m/s alınız. Bir kuyuya bağıran birinin sesinin yankısı 0,5 saniye sonra duyuluyor. Kuyunun derinliği kaç metredir?

• A) 170
• B) 340
• C) 680
• D) 85
• E) 42,5

Çözüm: d = 340 · 0,5 / 2 = 85 m. Cevap: D.

Örnek 2 — Özellik

Soru: Bir müzik çaların ses düğmesi açılınca sesin hangi özelliği değişir?

• A) Frekansı
• B) Tınısı
• C) Hızı
• D) Dalga boyu
• E) Şiddeti

Çözüm: Ses düğmesi genliği, dolayısıyla şiddeti artırır. Cevap: E.

Örnek 3 — Dalga boyu

Soru: Ses hızını 340 m/s alınız. 85 hertzlik bir sesin havadaki dalga boyu kaç metredir?

• A) 4
• B) 0,25
• C) 28 900
• D) 85
• E) 425

Çözüm: Dalga boyu hızın frekansa bölümüdür: 340 / 85 = 4 m. Cevap: A.

Örnek 4 — Ortam

Soru: Ses aşağıdaki ortamların hangisinde en hızlı yayılır?

• A) Hava
• B) Su
• C) Çelik
• D) Boşluk
• E) Karbon dioksit gazı

Çözüm: Ses katılarda en hızlı yayılır; boşlukta hiç yayılmaz. Cevap: C.

• Uzayda patlama sesi duyulacağını sanmak. Ses mekanik dalgadır; ortam ister.
• Yankıda süreyi ikiye bölmemek. Ses engele gidip geri döner.
• Şiddet ile yüksekliği karıştırmak. Yükseklik frekansa, şiddet genliğe bağlıdır.
• Ortam değişince frekansın değiştiğini sanmak. Frekans sabit kalır, dalga boyu değişir.
• Ambulansın sireninin gerçekten değiştiğini düşünmek. Değişen, dinleyiciye ulaşan frekanstır.