5.3 Schallwellen, Akustik Schallwellen und Medium pmax pmin p0 Versuch: Klingel unter Vakuumglocke pmax pmin p0 Versuch: Luftsäule mit Pulver longitudinale Welle Momentaufnahme Maxima: Wellenlänge l Frequenz n Wechseldruck Schallschnelle Schallgeschwindigkeit Laufzeitmessung im Praktikum bei n = 1kHz l = 0,33 m l = 1,5 m l = 3,6 m k Kompressibilität des Materials für Gase

Amplituden der Schallwelle Wellenwiderstand [kg/m2s] „Materialkonstante“ Wechseldruck [Pa] Wechseldichte [kg/m3] Schallschnelle [m/s] Schmerzgrenze Zahlenbeispiel: Luft Wechseldruck 1mbar  Schallschnelle 0,23 m/s Knochen Wechseldruck 1mbar  Schallschnelle 16 µm/s 100 Pa

Daten zu akustischen Wellen große Unterschiede  guter Kontrast im Ultraschalbild Verhalten von Schallwellen an einer Grenzfläche Luft Gewebe Reflexion Z1 Z2 Transmission Brechung von Schallwellen schwer beobachtbar, da ein Schallstrahl nicht leicht erzeugbar ist.

Ausbreitung im begrenzten Raum durch Reflexionen und Beugung und Interferenz geprägt. Akustik Modellraum: schwingende Luftsäule l m = 1 m = 3 stehende Welle: Rohrende mit Knoten ganzzahliges m  Abstrahlung durch gesamte Luftsäule Eindruck laut! v = vmax v = 0 l Experiment mit He

Mundhöhle als Resonanzraum Vokale Registrierung von Sprachlauten auf einem Oszillographen

Übergang von einem Laut zum nächsten Fourierdarstellung Simulation beliebige Zeitfunktion Amplitude Frequenz stationär Sprache: zeitabhängig Übergang von einem Laut zum nächsten Schwebung? Wie identifiziert man Sprachlaute? A 800 - 1100 E 400 - 600 1700 - 1900 2200 - 2600 I 200 - 400 1900 - 2100 3000 - 3200 O 400 - 700 U 300 - 500 Formanten charakteristisches Frequenzintervall in Hz Aufnahme Darstellung von Amplitude und Frequenz in der Zeit Spektrum

Spektrum 3 Sekunden Frequenz 0 Hz 1000 Hz 2000 Hz 3000 Hz 4000 Hz Farben entsprechen Intensitäten Grundfrequenz Wollt Ihr den to talen Krieg Goebbels, Sportpalastrede 18.2.1943 höchste Grundfrequenz 340Hz Obertöne bis 5000Hz sichtbar Formanten-Muster der Vokale gut sichtbar rechten beiden Säulen: Übergang von A nach I

Detektion von Schallwellen Ohr Empfindlichkeit Anpassung Übersetzung Ohrmuschel, Trommelfell, Knochenmechanik Frequenzanalyse Basilarmembran Zeitanalyse Frequenz und räumlicher Eindruck Amplitudenunterschiede rechts/links räumlicher Eindruck

Lautstärke Schallwelle entspricht Energietransport Quantitatives Maß: Intensität Effektivwert Hörschwelle Ischwelle = (2·10-5 Pa)2 / 428 kg/m2s  10-12 W/m2 in Luft Schmerzgrenze Imax  1 W/m2 Dynamik 106 für Druck und 1012 für Energie Schallstärke: relatives Maß bezogen auf die „Hörschwelle“ I0 = 10-12W/m2 bei 1kHz Logarithmus Schalldruckpegel (dB SPL) sound pressure level I = I0·10L L(Hörschwelle)  0dB L(Schmerzgrenze)  120 dB

Empfindlichkeit Ohr Kurven gleichen Lautstärkeeindrucks Isophone Lautstärkepegel 1Phon = 1dB SPL bei 1kHz Schalldruckpegel (dB SPL) 130 110 90 70 50 30 10 normale Hörschwelle Schmerz- schwelle Unbehaglich keitsschwelle Hauptsprach- bereich Donner lauter Industrielärm lauter Straßenlärm Isophonen normales Gespräch leises Gespräch ländliche Ruhe Bezugs- schalldruck

Lautstärke einiger Geräusche in dB(A) Frequenzspektrum bewertet mit Filter A (etwa der Hörempfindlichkeit des Ohres folgend)

Ultraschall n > 20 kHz jenseits der Hörgrenze Wellenlänge in Luft: l < 1,6 cm  gute räumliche Auflösung möglich Anpassung des Wellenwiderstandes an Grenzflächen  Gel  optimiertes Eindringen Therapeutischer Einsatz Ultraschallsender bei 870 kHz typische Leistungen 10 W Sendefläche 4 cm2 Sendeintensität I = 2,5·104 W/m2 Wechseldruck: Muskel Gewebewirkung? Schallschnelle: Wechseldruck ist von Bedeutung Resonanzanregung im Körper  Zertrümmerung von Nierensteinen Ultraschallpulse

Diagnostischer Einsatz Bilderzeugung oder Geschwindigkeitsmessung, -feld z.B. Dopplereffekt Reflexion an Strukturen Grenzflächen, da Wechsel des Wellenwiderstandes Laufzeit zum Empfänger  Entfernung Amplitude der reflektierten Welle  Material  Schwärzung oder Falschfarben Konstruktion eines Bildes Zusammensetzung von verschiedenen Strahlrichtungen Ultraschalltomographie Impuls-Echo-Verfahren Pulsverfahren Dauerschall-Verfahren: Frequenzverschiebung zwischen bewegtem Sender und/oder Empfänger Doppler-Effekt Messung von Strömungen, Durchblutung Reflektor Doppler Licht