Akustik

Question 1

Wie werden Schallwellen erzeugt / wie breiten sie sich aus?

Answer 1

Schallwellen sind mechanische Longitudinalwellen. Ausgehend von der Schallquelle, einem schwingenden Körper, breiten sie sich in Festkörper, Flüssigkeiten und Gasen in Form von Druckschwankungen (Druckwellen) aus.

Question 2

Was kann als Schallquelle fungieren?

Answer 2

Schwingende Körper (aller Aggregatzustände), die Schallwellen abstrahlen, werden als Schallquellen bezeichnet. Das können Saiten, Stäbe, Luftsäulen, Membranen, usw. sein.

Question 3

Wovon ist die Schallausbreitung abhängig?

Answer 3

• > Schallausbreitung = mechanische Longitudinalwellen
• Phasengeschwindigkeit dieser Wellen (meist als Schallgeschwindigkeit c bezeichnet) hängt (bei genügend kleinen Amplituden) nur von den mechanischen Eigenschaften des Mediums, nicht aber von der Frequenz der Welle ab.

Question 4

Wie ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern definiert?

Answer 4

c=Wurzel(E/rho)
[mit E-> Elastizitätsmodul und rho-> Dichte des Festkörpers]
=> Mit der Dichte rho ist die Schallgeschwindigkeit c temperaturabhängig.

Question 5

Wie ist die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten definiert?

Answer 5

c=Wurzel(K/rho)
[mit K-> Kompressionsmodul=1/chi (chi-> Kompressibilität) und rho-> Dichte der Flüssigkeit]
=> Mit der Dichte rho ist die Schallgeschwindigkeit c temperaturabhängig.

Question 6

Wie ist die Schallgeschwindigkeit in Gasen definiert?

Answer 6

Der Wechsel von Über- und Unterdruck an einer bestimmten Stelle des Gases erfolgt so schnell, dass er als isentroper Vorgang angesehen wird (Entropie S ändert sich nicht).
c=Wurzel(chi*p/rho)
[mit chi=c[p]/c[V]-> Isentropenexponent (Verhältnis der Wärmekapazität von Gasen bei konstantem Druck und bei konstanten Volumen); p->Gasdruck und rho-> Gasdichte]
=> Die Schallgeschwindigkeit in Gasen hängt innerhalb weiter Grenzen nur von der Temperatur, nicht aber vom Druck des Gases ab.

Question 7

Welches Phänomen beschreibt der Doppler-Effekt?

Answer 7

Besteht zwischen einer Schallquelle (Sender) und dem Schallempfänger eine Relativbewegung, vergrößert oder verkleiner sich also ihr gegenseitiger Abstand, so nimmt der Empfänger E eine andere Frequenz wahr, als der Sender S abgestrahlt hat.

• > Bewegen sich Sender und Empfänger aufeinander zu, so treffen die Wellenzüge in schnellerer Folge beim Beobachter ein, die Frequenz erscheint erhöht (Blauverschiebung).
• > Bei einer Bewegung voneinander weg erscheint die Freqeunz verkleinert (Rotverschiebung)

Question 8

Was gilt für die Überlagerung von Schallwellen?

Answer 8

Für die Überlagerung (Interferenz von Schallwellen gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie für alle anderen Wellenarten. Die wichtigsten Sonderfälle sind:

• Auslöschung: Zwei Schallwellen gleicher Ausbreitungsrichtung, Frequenz und Amplitude löschen sich aus, wenn sie einen Gangunterschied = (2k+1)lambda/2 (mit k=0,1,2,3,..) besitzen. Bei ungleichen Amplituden ergibt sich unter den gleichen Bedingungen eine Schwächung.
• Verstärkung: Bei zwei Schallwellen gleicher Ausbreitungsrichtung verstärken sich Frequenz und Amplitude zu doppelt so großen Elongationen, wenn der Gangunterschied = k*lambda (k=0,1,2,..) beträgt. Bei ungleichen Amplituden ergibt sich unter den gleichen Bedingungen eine Addition der Elongation.
• Schwebung: Gleiche Ausbreitungsrichtung aber geringe Frequenzdifferenz führen zu einer Schwebung. Die Amplitude der resultierenden Welle nimmt periodische zu und ab.

Question 9

Welche Größen spielen beim Schallfeld eine Rolle?

Answer 9

Die von einer Schallquelle abgestrahlte Energie wird in Form von Schallwellen durch das Schallfeld transportiert.

• Schallschnelle v -> Schwinggeschwindigkeit der Teilchen des Mediums (Wechselgeschwindigkeit) => v=Aomegacos(omega*t)
• Schalldruck p -> in der Schallwelle auftretenden periodische Druckabweichungen (Über- und Unterdruck, Wechseldruck). In gasförmigen Medien ist der Schalldruck p dem vorhandenen Gasdruck p[G] überlagert. => p=omegarhocAcos(2pi)(t/T-x/lambda)
• Schallintensität J -> Verhältnis der auf eine Fläche treffenden Schallleistung P zur Größe dieser Fläche. => J=P/A
• Schallpegel -> Vergleich zweier Schallintensitäten bzw. Schalldrücke

Question 10

Welche Eigenschaften hat Ultraschall?

Answer 10

• Schallfrequenzen oberhalb des Hörbereichs (>20 kHz)
• hohe Frequenzen bzw. kurze Wellenlängen (in Luft < 1,5 cm)
• es wir die Anwendung der Gesetzmäßigkeiten der geometrischen Optik (Bündelung, Fokussierung, u.Ä.) ermöglicht