Ses Dalgası Nedir? Sesler, Bize Dalgalarla İlgili Neler Öğretebilir?

Ses dalgası, gaz, plazma ve sıvılar boyunca iletilen, kimi zaman "basınç dalgası" olarak da bilinen boylamsal dalgalardır. Bu tanımdan görebileceğiniz gibi, "ses dalgası"nın ne olduğunu anlamak için, öncelikle "dalga" kavramını anlamak gerekmektedir. Gündelik yaşantımızdan denizdeki dalgalara aşina olduğumuz için kulağa oldukça basit gelen bu kavram, ilk etapta göründüğünden biraz daha karmaşıktır. Bir dalganın mekaniğini anladıktan sonra, bir ses dalgasının ne olduğunu, sesin neye göre tiz veya bas çıktığını, ses şiddetinin neyle alakalı olduğunu kolayca anlayabiliriz.

Dalga Nedir?

Fizikte dalga, beraberinde enerjiyi ileten, uzay-zamanda ilerleyen bir osilasyon (salınım, titreşim) veya tedirginliktir. Dalga, her ne kadar enerjiyi iletse de, dalga sırasında ortamdaki parçacıklar hareket etmez. Yani aslında bir yer değiştirme, ilerlemeden ziyade, bir salınım (titreşim) hareketidir ve bu hareket enerjiyi iletir.

Elektromanyetik dalgalar (gama ışını, X ışını, moröte, görünür ışık, kızılöte, mikrodalga ve radyo dalgaları) yayılmak için herhangi bir ortama ihtiyaç duymazlar. Birçok bilimkurgu filminin yansıttığının aksine, uzay boşluğunda ses olmamasının nedeni de aslında budur. Çünkü ses dalgası, mekanik bir dalgadır ve yayılmak için bir ortama ihtiyaç duyar. Boşlukta da böyle bir ortam yoktur, dolayısıyla ses yayılmaz.

Dalgaları, enine dalgalar ve boyuna (boylamsal) dalgalar olmak üzere iki gruba ayırabiliriz. Enine dalgalar, titreşim doğrultusu yayılma doğrultusuna dik olan dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar bu sınıfa girer (elektrik alan ve manyetik alan fotonun ilerleme yönüne diktir). Boyuna dalgalar ise titreşim doğrultusunun yayılma doğrultusuna paralel olduğu dalgalardır. Yazımızın konusu olan ses dalgaları boyuna dalgalardır. Bir de her iki gruba da dâhil edebileceğimiz dalga türleri vardır. Bunlar da deprem, su ve yay dalgalarıdır.

Dalgaların birkaç temel özelliği bulunur. Bu özellikler; bir engelle karşılaştıklarında yansıma ve soğurulma, farklı yoğunlukta bir ortama girdiklerinde kırılma, kendi dalga boylarına göre küçük engellerle karşılaştıklarında saçılma ve birden fazla dalga üst üste geldiklerinde girişim oluşturmalarıdır.

Bu özelliklerden en ilginci sanıyoruz ki dalgaların girişim oluşturabilmesidir. Çünkü bu, her ne kadar maddeler için doğruluğunu korusa da iki farklı şeyin aynı anda aynı yeri işgal edemeyeceğini söyleyen eski bir sözün dalgalar için doğru olmadığı anlamına gelir. Dalgalar birbirlerini etkilemeden birbirlerinin içinden geçebilirler. Bunun en güzel örneği televizyonlarda gerçekleşir. Televizyon antenine çarpan birçok dalga olsa da yalnızca bizim ayarladığımız frekanstaki dalgaları gösterir.

Frekans, Genlik, Dalga Boyu

İster enine dalga olsun ister boyuna dalga, tüm dalgaların belirli ölçülebilir özellikleri vardır. Bu özellikler beş duyunuzla algıladığımız ya da algılayamadığımız titreşimleri ayırt etmemizde ve bunları sınıflandırmamızda bize yardımcı olur. Konumuz ses dalgası olduğundan bu özelliklerin boyuna dalgalar için ne ifade ettiğinden bahsedeceğiz.

Ses Dalgalarında Frekans ve Periyot Neyi Değiştirir?

Ses dalgalarının yukarıdaki videoda da görüldüğü üzere sıkışma (İng: "compression") ve seyreklik (İng: "rarefaction") bölgeleri vardır. Frekans, bir saniyede, belirli bir yerden bu sıkışma noktalarından kaç tane geçtiğinin bir ölçüsüdür. Diğer bir deyişle, saniyedeki (birim zamandaki) titreşim sayısıdır. Ölçü birimi, Alman fizikçi Heinrich Rudolf Hertz'e ithafen Hertz'dir ve Hz olarak kısaltılır. Bir Hertz, bir saniyede bir titreşimi ifade eder. Bir saniyede 100 titreşim olursa bu 100 Hz'dir.

Periyot ise bir tam dalganın oluşması için gerekli süreye denir. Büyük T harfi ile gösterilir. Periyodu 1/4 olan bir dalga için her çeyrek saniyede bir dalga oluşur. Bu da aynı zamanda frekansının 4 Hz olduğu, yani saniyede 4 dalga oluştuğu anlamına gelir.

Seslerin kalınlığını belirleyen de ses dalgasının frekansıdır. Piyano buna çok güzel bir örnek teşkil eder. Fotoğrafta gösterilen ortadaki la notası tuşu standart olarak 440.00 Hz’e ayarlanır. Sağ yanında gösterilen si notası 493.88 Hz frekansa sahipken sol yanında gösterilen sol notası 392.00 frekansa sahiptir.

Ses Dalgalarında Genlik Nedir?

Ses dalgaları hava, su gibi herhangi bir ortamda hareket ederken bu enerjiyi taşıyan parçacıklar uzun yollar katederek kulağımıza kadar gelmez. Bulundukları yerde ileri geri titreşerek enerjiyi bir sonraki parçacığa aktarırlar ve ses dalgası bu sayede yayılır. Bir parçacığın ilk bulunduğu konumdan yaptığı bu minik titreşimlerin uzunluğu, ses dalgasının genliğidir. Ses dalgasını genliği sesin şiddetini belirler. Genlik ne kadar büyükse ses o kadar şiddetli çıkar.

Ses şiddetinin ölçüsü Desibel (dB) ile ifade edilir. 0 desibel insan kulağının duyabileceği en düşük şiddetteki sestir. Diğer bazı değerleri de şu şekilde sıralayabiliriz:

• Rüzgârsız doğal ortam: 20 dB
• Fısıltı: 25 dB
• Sokakta gece saatleri: 40 dB
• Normal sohbet: 60-75 dB
• Küçük bir salondaki oda müziği: 75-85 dB
• Şehir trafiği: 85 dB
• Maruziyet devam ettiğinde duyma kaybına yol açacak seviye: 80-90 dB
• 60 metreden metro: 95 dB
• Kulakta acının başladığı seviye: 125 dB

Ses Dalgalarında Dalga Boyu Ne İşe Yarar?

Ses dalgalarında dalga boyu iki sıkışma noktası ya da iki seyreklik noktası arasındaki mesafedir; dolayısıyla metre, nanometre gibi bir uzunluk birimidir ve λ (lambda) ile gösterilir. Elektromanyetik dalgalarda dalga boyunu genellikle iki tepe ya da iki çukur arasındaki mesafe olarak tanımlarız (çünkü bu noktaları tanımlamak kolaydır).

Sesi Nasıl Duyarız?

Duyma işlemi genel olarak kulakta başlayıp beyinde biten bir süreçte havadaki ses dalgalarının elektrik sinyallerine çevrilmesiyle gerçekleşir.

1. Dış kulağa (outer ear) gelen ses dalgası kulak kanalından (ear canal) geçerek kulak zarına (ear drum) ulaşır.
2. Titreşen kulak zarı bu titreşimleri orta kulakta yer alan çekiç, örs ve üzengi (malleus, incus ve stapes) kemiklerine iletir.
3. Bu kemikler titreşimleri artırarak iç kulaktaki kulak salyangozu (diğer adıyla koklea, görselde cochlea) iletir. Kulak salyangozu içi sıvıyla doludur ve ayrıca içinde baştan sona kendisini alt ve üst olarak ikiye ayıran esnek bir zar olan baziler zar bulunur.
4. İç kulağa gelen ses dalgasının buradaki sıvıyı dalgalandırmasıyla baziler zar da titreşir ve bu titreşimleri algılayan saç hücreleri, tireşimleri elektrik sinyalleri olarak beyne gönderir. Kulak salyangozunun geniş ucundaki hücreler tiz sesleri algılarken merkeze yakın hücreler daha kalın sesleri algılarlar.

İşte bu şekilde işleyen insan kulağının 20-20.000 Hz arasındaki sesleri algılayabilir. Çoğu kişi için bu aralık 100-16.000 Hz dolayındadır. Bazı hayvanların duyduğu frekans aralıkları (Hz cinsinden) ise şu şekilde:

• Köpek: 67-45.000
• Kedi: 45-64.000
• İnek: 23-35.000
• At: 55-33.500
• Koyun: 100-30.000
• Yarasa: 2.000-110.000
• Kanarya: 250-8.000
• Baykuş: 200-12.000

Şok Dalgası

Ses kaynağı sesten daha hızlı hareket ediyorsa sonik patlama dediğimiz bir olay meydana gelir. Sonik patlama, bir kaynak tarafından belirli bir süre oluşturulan dalgaların uygun şekilde bir araya gelerek meydana getirdikleri olağan dışı güçlü bir toplam dalgadır (bir tür şok dalgasıdır).

Buna örnek olarak çok hızlı giden uçakların oluşturduğu sonik patlamayı verebiliriz. Burada ‘çok hızlı’dan kastımız uçağın en az ses ile aynı hızda hareket ediyor olmasıdır, yani yaklaşık olarak 1235 km/saat. Gökyüzünde bir sonik patlama yaşandığında bunu yerden sanki bir anlık bir gök gürlemesi gibi duyarız.

Doppler Etkisi

Doppler etkisi yalnızca ses dalgalarında gözlemleyebildiğimiz bir olay değildir. Aynı şekilde elektromanyetik dalgalarda da kırmızıya kayma, maviye kayma şeklinde gözlemleyebiliyor ve bu sayede evrene dair yaptığımız gözlemleri daha güzel yorumlayabilmekteyiz.

Ses dalgalarına dönecek olursak Doppler etkisi, kaynak ile gözlemci arasındaki göreli hareketten kaynaklanan frekans değişimidir. Kaynak ile gözlemci birbirine yaklaşırken algılanan frekans normalden daha yüksek olur ve bu da sesin daha tiz duyulmasına yol açar. Yine bunu ışıkla bağdaştıracak olursak yükselen frekans ışığın maviye kayması anlamına gelir (mavinin dalga boyu daha düşüktür), tersi durumda da ışık kırmızıya kayar. Benzer şekilde gözlemci ve kaynak birbirinden uzaklaşırken de frekans normalden daha düşük algılanır ve ses daha kalın işitilir.

Gündelik hayatta aslında Doppler etkisini tecrübe ederiz. Bize yaklaşmakta olan bir ambulansın sesi tiz (ince) çıkarken uzaklaştıkça kalınlaşır (baslaşır).

Bir doğru boyunca hareketi ele alırsak, kaynağın hızını V_S, gözlemcinin hızını V₀kabul eder ve durağan havanın içinde yol alan sesin hızını da S kabul edersek işitilen sesin frekansındaki değişimi gösteren formül şu şekilde olur:

$f_0=f_s\frac{S+V_0}{S-V_S}$

Eğer kaynak ve gözlemci birbirinden uzaklaşıyorsa denklemde bu değerler negatif, yakınlaşıyorlarsa pozitif alınmalıdır. Burada frekanstaki değişimin, frekansın kendisi fs ile bir katsayının çarpımı olduğunu görebiliyoruz. Bu katsayı da gözlemcilerin hızlarıyla belirlenmektedir.

Sesten daha hızlı hareket ederken ses dalgaları asla kulağımıza ulaşamayacağı için Doppler etkisi gözlemlenmeyecektir. Aynı şekilde eğer gözlemci ve kaynak aynı hızda ve yönde hareket ediyorsa da Doppler etkisi gözlenmez. Yani örneğin bir polis aracının sirenini dışarıdaki bir gözlemci olarak yanınızdan geçtikten sonra farklı duyarsınız, ancak içindeki polis memurları için sirenin sesinde herhangi bir farklılık yoktur.