Geluid bestaat uit trillingen die je niet ziet. Het plant zich met duizenden km/h voort door lucht, water en vaste materialen en je kunt het gebruiken om ziekten op te sporen en te behandelen.

Geluid bestaat uit trillingen die je niet ziet. Het plant zich met duizenden km/h voort door lucht, water en vaste materialen en je kunt het gebruiken om ziekten op te sporen en te behandelen.

Op 14 oktober 1947 werd de stilte boven de Mojavewoestijn in de VS met een knal doorbroken, toen testpiloot Chuck Yeager als eerste mens door de geluidsbarrière ging.

Hij vestigde dit record met de Bell X-1, een raketvliegtuig gevormd naar een patroon uit een .50 Browning-mitrailleur. Als een kogel met vleugels sneed het toestel met 1127 km/h op 13 kilometer hoogte door de lucht.

‘Ik vloog 18 seconden met een supersonische snelheid,’ schreef Chuck Yeager 40 jaar later. ‘Supersonisch’ betekent sneller dan het geluid. ‘Er waren geen klappen, geen dreunen, geen schokken. En geen bakstenen muur waar ik op klapte. Ik leefde.’

De Bell X-1 was een oranje raketvliegtuig met de vorm van een kogel. Op 14 oktober 1947 overschreed het als eerste vervoermiddel de geluidssnelheid.

Een geluidsbarrière bestaat uit onzichtbare geluidsgolven.

Als een vliegtuig vliegt, worden de geluidsgolven vóór het toestel samengeperst, en naarmate de snelheid toeneemt, wordt de afstand tussen de boven- en onderkant van de geluidsgolven kleiner.

Wanneer de geluidssnelheid wordt bereikt, worden de geluidsgolven zo sterk opeengedrukt dat ze een muur in de vorm van een schokgolf vormen. Wanneer de samengeperste geluidsgolven de aarde bereiken, hoor je een knal.

De harde knal is niet te horen in de cockpit, want het toestel vliegt zo snel dat het supersonische geluid het niet kan inhalen.

Soms zie je een kegel van waterdamp rond het vliegtuig als dit door de geluidsbarrière breekt. De damp wordt gevormd door vocht in de lucht als de luchtdruk in het dal tussen twee geluidsgolven daalt.

Als een vliegtuig de snelheid van het geluid overschrijdt en door de geluidsbarrière gaat, kan er rond de staart een witte wolk ontstaan

Geluidsgolven kun je niet zien. Geluid bestaat namelijk uit onzichtbare trillingen in de lucht, geluidsgolven. Die worden in je oren omgezet in zenuwsignalen, die je hersenen interpreteren.

De dichtheid van moleculen, de geluidsdruk, varieert en bepaalt hoe je een geluid waarneemt. De toonhoogte wordt gemeten in het aantal golven per seconden (hertz). Het volume wordt gemeten in decibel.

De geluidssnelheid werd in 1640 vastgesteld door de Franse wiskundige Marin Mersenne.

Andere wetenschappers, zoals de Italiaanse astronoom Galileo, hadden eerder al vastgesteld dat geluid zich voortplant als golven.

Hoe snel die geluidsgolven gaan, was echter nog onbekend. Marin Mersenne probeerde de vraag te beantwoorden met behulp van een simpel experiment.

De Fransmen ging 159 meter van een muur staan en sprak de woorden: benedicam dominum – God zij geprezen. Met een pendule registreerde hij hoe lang het duurde voor de echo bij hem terugkwam.

Marin Mersenne hoorde de echo na een seconde. Door de afstand tot de muur te delen door de tijd die het geluid erover deed om terug te keren, berekende hij de snelheid van het geluid op 318 m/s.

Inmiddels weten we dat geluidsgolven zich bij 20 °C met precies 343 m/s voortplanten.

De snelheid hangt echter af van de druk, de luchtvochtigheid en de temperatuur. Als geluidsgolven door een ander materiaal dan lucht reizen, zoals water of hout, neemt de snelheid toe. In water van 20 °C is de geluidssnelheid 1482 m/s, in hout 4100 m/s.

De Britse wetenschapper Robert Boyle bewees al in 1660 dat geluid alleen kan bestaan als het door een materiaal gaat, zoals lucht.

Boyle deed een experiment waarbij hij een wekker in een luchtdichte pot plaatste en alle lucht eruit zoog. Toen er geen lucht meer in de pot zat en de wekker zich dus in een vacuüm bevond, rinkelde hij niet meer.

De geluidssnelheid wordt bepaald door het materiaal waardoor het reist. Hoe groter de dichtheid van moleculen, hoe sneller.

Geluid ontstaat als moleculen in de lucht gaan trillen. In de ruimte is er geen lucht en daardoor ook geen geluid. Bij een normale luchtdruk op zeeniveau en een temperatuur van 15 °C plant geluid zich voort met 1225 km/h.

Geluid reist ook door vloeistoffen en vaste stoffen. Hoe korter de afstand tussen de moleculen in het materiaal, hoe sneller het geluid gaat. Zo gaat geluid in water vier keer zo snel als in lucht.

Als een vliegtuig de geluidssnelheid overschrijdt, worden de geluidsgolven rond het toestel samengeperst en ontstaat vooraan een barrière: een schokgolf. De druk daarvan zorgt voor een knal op aarde.

159 jaar na het experiment van Robert Boyle baande de Franse arts René Laënnec de weg voor geluid als medisch instrument.

Tijdens een consult van een patiënt met overgewicht kon René Laënnec de hartslag niet goed horen als hij zijn oor op de borst van de patiënt legde. Hij rolde 24 vellen papier op tot een koker en luisterde daardoor naar de hartslag.

De geluiden van de patiënt werden versterkt en de eerste stethoscoop was een feit.

Tegenwoordig gebruiken artsen geluid om zich met een ultrageluidscanner een gedetailleerd beeld te vormen van iemands organen.

Bij die methode worden geluidsgolven van miljoenen hertz door het lichaam gestuurd en teruggekaatst naar een scanner, als een echo in de vorm van een afbeelding. Afhankelijk van het weefsel dat de golven tegenkomen sturen ze verschillende signalen terug. Op die manier kan bijvoorbeeld aderverkalking of kanker worden vastgesteld.

We hebben de geluidssnelheid al meermaals overschreden. Dit zijn enkele bijzondere records.

Onderzoekers willen geluidsgolven niet alleen gebruiken om ziekten te diagnosticeren, maar ook om ze te behandelen.

Bij het California Institute of Technology in de VS wordt bijvoorbeeld gewerkt met high-intensity focused ultrasound (HIFU). Dat is doelgerichte ultrageluidenergie, die kankercellen in de prostaat kan vernietigen.

Door een ultrageluidsonde aan te brengen in de endeldarm kunnen onderzoekers geconcentreerd ultrageluid naar de kankercellen sturen. Die worden verhit tot 85 à 100 °C en gaan dan kapot.

Er wordt ook geëxperimenteerd met het gebruik van gerichte ultrageluidenergie voor het verwijderen van bloedproppen in de hersenen. Deze methode is alleen nog op dieren getest.

Met behulp van een helm met meer dan 1000 componenten (transducers) kunnen artsen geluidsgolven naar het hersengebied dirigeren waar een bloedprop zit.

De geluidsgolven kunnen op gebieden van slechts 4 millimeter dikte worden gericht, en uit proeven blijkt dat de geconcentreerde geluidsgolven een bloedprop in een bloedvat in de hersenen binnen een minuut kunnen oplossen, zonder het omliggende weefsel te beschadigen.

Ja, ik ontvang graag de nieuwsbrief van Wetenschap in Beeld met inspirerende artikelen en reclame voor Wetenschap in Beeld per mail.