Physikalische Grundlagen des Hörens

Präsentation zum Thema: "Physikalische Grundlagen des Hörens"—  Präsentation transkript:

1 Physikalische Grundlagen des Hörens
Psychologie des Hörens Physikalische Grundlagen des Hörens Dozent: Erwin Grüner Referenten: Stefan Schindelmann, Nikolas Maurer und Svenja Eckert Datum:

2 Energie und andere Größen

3 Energie Fähigkeit, Arbeit zu verrichten Formen: mechanisch
thermodynamisch magnetisch elektromagnetisch chemisch elektrisch Strahlungs- und Kernenergie

4 Potentielle Energie gespeicherte Energie, entspricht der Arbeit, die einem System zugeführt wurde Ball wird hochgehalten hat potentielle Energie gegenüber dem Fußboden

5 Kinetische Energie Energie auf Grund von Bewegung,
hängt ab von Masse und Geschwindigkeit E =1/2 mv2 Umwandlung in potentielle Energie und umgekehrt möglich. Dabei können potentielle oder kinetische Energie verloren gehen oder gewonnen werden, Gesamtenergiebilanz: immer gleich

6 Beschleunigung Größe, mit der sich die Geschwindigkeit eines Körpers in bestimmter Zeit ändert Der Körper ändert Geschwindigkeitsbetrag, Bewegungsrichtung oder beides. Fallengelassener Körper: Beschleunigung nach unten

7 Geschwindigkeit Betrag und Richtung der räumlichen Verschiebung eines Körpers in bestimmter Zeit. Wird der Körper gebremst: Negative Beschleunigung

8 Isaac Newton

9 Isaac Newton´s Gesetze (1)
1. Jeder Körper beharrt in seinem Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, wenn er nicht durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, seinen Zustand zu ändern 2. Die Änderung der Bewegung ist der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional und geschieht nach der Richtung derjenigen geraden Linie, nach welcher jene Kraft wirkt

10 Isaac Newton´s Gesetze (2)
Die Wirkung ist stets der Gegenwirkung gleich oder die Wirkungen zweier Körper aufeinander sind stets gleich und von entgegengesetzter Richtung

11 Gravitation: Gegenseitige Anziehung von Massen
Schwerkraft: Nur bezogen auf Erde und Körper auf ihr oder in ihrer Nähe Bei Nichtbeachtung des Luftwiderstandes erhöht sich bei frei fallendem Körper jede Sekunde die Geschwindigkeit!

12 Entscheidende Größen:
Bewegung Zeit Geschwindigkeit Beschleunigung Masse Kraft Bewegungen von Körpern und deren Reaktion auf die Einwirkung von Kräften. Produkt aus einwirkender Kraft: Arbeit. Während der Arbeit wird Energie auf den Körper übertragen. Einheit: Joule 1 Joule pro Sekunde: 1 Watt (Leistung)

13 Drei letzte Definitionen:
Masse: Maß für die Trägheit des Körpers, seines Widerstandes gegen eine Bewegungsänderung Kraft: Einwirkung, die bei einem Körper die Geschwindigkeit und/oder Richtung ändert (Beschleunigung, Verzögerung, Lenkung aus der Bahn) Reibung: Widerstand, entgegengesetzt durch anderen mit ihm in Kontakt stehenden Körper

14 Thema Schwingung Schwingung

15 Schwingungen Was sind Schwingungen? Harmonische Schwingungen
Gedämpfte Schwingungen Longitudinale u. transversale Schwingungen Komplexe Schwingungen Resonanz

16 Was ist eine Schwingung?
Ein sich periodisch wiederholender Vorgang, bei dem Energie abwechselnd in verschiedene Formen überführt wird.

17 Schwingungen Mechanische Schwingungen Elektrische Schwingungen
 Schallwellen Elektrische Schwingungen  Elektromagnetische Wellen (Radiowellen, Licht)

18 Mechanische Schwingungen
Periodische Bewegungen in einem regelmäßigen Zeitintervall Ständiger Wechsel von kinetischer zu potentieller Energie u.u. Trägheitskraft und Rückstellkraft wirken gegeneinander

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20 Kinetische vs. potentielle Energie
KE = ½ mv² (m = mass; v = speed) PE = ½ Ky² (K = spring constant; y = displacement) K = mg/l

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22 Harmonische Schwingung
Rückstellkraft proportional zur Auslenkung Sinuskurvenform Amplitude (a): maximale Auslenkung Schwingungsdauer (T): zeitlicher Abstand zweier gleicher Phasen Frequenz (ν): Schwingungen pro Sekunde

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24 Frequenz Sprungfeder: ν = 1/2π x (K/m)½ Pendel: ν = 1/2π x (g/l)½

25 Gedämpfte Schwingung Verlust von Schwingungsenergie durch Reibung
Abnahme der Amplitude in Form einer Exponentialfunktion

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27 Longitudinal vs. transversal
Longitudinale Schwingung: In Richtung der Ausbreitungsrichtung Transversale Schwingung: Quer zur Ausbreitungsrichtung

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29 Schwingungsmodi Fundamental mode: Schwingung bei niedrigster Frequenz
Harmonics: Ganzzahlige Vielfache der Fundamental-Frequenz Overtones: Übrige Vielfache d. FF Partials: Umfasst alle möglichen Schwingungsmodi

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31 Musikinstrumente Saite (Gitarre, Geige): transversal
Membran (Schlagzeug): transversal Stab (Xylophon): transversal Platte (Gong): transversal Luftsäule (Flöte): longitudinal

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33 Komplexe Schwingungen
Viele Systeme schwingen gleichzeitig bei mehreren Frequenzen Fourier-Analyse Komplexe Schwingung wird in partials zerlegt Amplitude Frequenz

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35 Resonanz Erregerfrequenz und Oszillatorfrequenz stimmen überein
Amplitude erreicht Maximalwert Beispiel: schaukelndes Kind

36 Thema Wellen Wellen

37 Einführung – Die Welle Was ist eine „Welle“?
Allgemein: Wellen transportieren Energie und Informationen durch ein Medium, ohne dass das Medium selbst transportiert wird. Beispiele: Wasserwellen, Lichtwellen und Radiowellen

38 Schallwellen (1) Bei Schall werden Änderungen in Druck und Dichte übertragen Die „Boten“ (Moleküle) fallen nach der Weitergabe der Informationen in ihren Ursprungszustand zurück Wellen gehorchen Gesetzmäßigkeiten: Reflexion, Brechung und Ablenkung

39 Schallwellen (2) - Aussehen
Sinuswelle

40 Schallwellen (3) - Aussehen
Ein Wort: laut Beschreibung soll es ein „hallo“ sein.

41 Schallwellen (4) - Reflexion
Beim Auftreffen auf harte Oberflächen kommen unterschiedliche Reaktionen vor Größe des Objektes und Wellenlänge sind ausschlaggebend Bei einer kleinen Wellenlänge und einem großen Objekt kommt es zu Reflexionen

42 Schallwellen (5) - Reflexion
Glatte Oberflächen „spiegeln“ die Welle (Einfallswinkel=Ausfallswinkel) Raue Oberflächen haben unterschiedliche Effekte.

43 Schallwellen (6) - Reflexion

44 Schallwellen (7) - Brechung
Schallbrechung (oder auch –beugung) findet beim Übergang in ein Medium mit einer anderen Schallgeschwindigkeit statt Ähnlich wie bei der Optik (z.B.Prisma) Noch nicht verstanden

45 Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit ist in verschiedenen Medien unterschiedlich In Gasen hauptsächlich temperaturabhängig. In Feststoffen breitet sich der Schall dagegen aufgrund der höheren Dichte des Materials mit circa 5500 Metern pro Sekunde aus.

46 Schallgeschwindigkeit
Medium Schallgeschwindigkeit Luft (bei 20°C) 343 (m/s) Wasserstoff 1280 (m/s) Glas 5300 (m/s) Eis 3250 (m/s) Stahl 5920 (m/s) Java Applet Man unterscheidet: Longitudinalwellen (Gas) und Transversalwellen (Festkörper)

47 Schallwellen (8) - Absorption
Trifft eine Schallwelle auf einen weichen, verformbaren oder porösen Körper, so wird sie ganz oder teilweise absorbiert, es erfolgt eine Umwandlung von Schallenergie in Wärme z.B. In offenporigen Materialien (Schaumstoffen) wird die Bewegung der Luftmoleküle durch Reibung gebremst.

48 Schallwellen (9) - Interferenz
Interferenz ist ein Phänomen das auftritt, wenn sich mehrere Wellen schneiden oder überlappen. Sie können sich gegenseitig verstärken, oder auslöschen (konstruktive und destruktive Interferenz).

49 Schallwellen (10) – Interferenz

50 Schallwellen (11) – Interferenz

51 Stehende Wellen Zwischen parallelen Wänden kann es zu sog."stehenden
Wellen„ kommen: Eine ‚gerade‘ auftreffende Schallwelle wird hier immer wieder mit ihrer eigenen Reflexion überlagert. λ = n*(λ/2) n ganze Zahl

52 Doppler Effekt Als Doppler-Effekt bezeichnet man die Veränderung der Frequenz von Wellen jeder Art, wenn sich die Quelle und der Beobachter einander nähern oder voneinander entfernen.

53 Doppler Effekt Als Beispiel soll angenommen werden, dass das Martinshorn des Krankenwagens Schallwellen mit einer Frequenz von 1000 Hertz aussendet. Dies bedeutet, dass genau 1/1000 Sekunde nach der ersten Wellenfront eine zweite Wellenfront der gleichen Phase nachfolgt. Für einen Beobachter an der Straße erscheint dies anders. Wenn der Krankenwagen auf den Beobachter zufährt, hat die zweite Wellenfront bis zum Beobachter einen kürzeren Weg zurückzulegen als die erste. Sie kommt also beim Beobachter nicht 1/1000 Sekunde nach der ersten Wellenfront an, sondern ein wenig früher.

54 Der Helmholtz-Resonator (1)
Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz ( ) Akustischer Resonator Gasvolumen mit enger Öffnung nach außen Beispiel: angeblasene Flasche

55 Der Helmholtz-Resonator (2)
Erklärung: Die träge Masse der Luft im Flaschenhals schwingt über der „Luft- Feder“ im Inneren der Flasche Einsatz von Helmholtz-Resonatoren: Lautsprecherbau: bei Verwendung von Bassreflexgehäusen (Verstärkung definierter Frequenzbereiche) Raumakustik: Unterdrückung von Raumresonanzen (Bassabsorber)

56 Danke! Danke für die Aufmerksamkeit!!
Für Fragen stehen wir Euch gerne zur Verfügung.