5.3 Schallwellen, Akustik Schallwellen und Medium pmax pmin p0

Präsentation zum Thema: "5.3 Schallwellen, Akustik Schallwellen und Medium pmax pmin p0"—  Präsentation transkript:

1 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

2 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

3 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.

4 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

5 Mundhöhle als Resonanzraum
Vokale Registrierung von Sprachlauten auf einem Oszillographen

6 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 E I O U Formanten charakteristisches Frequenzintervall in Hz Aufnahme Darstellung von Amplitude und Frequenz in der Zeit Spektrum

7 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 höchste Grundfrequenz 340Hz Obertöne bis 5000Hz sichtbar Formanten-Muster der Vokale gut sichtbar rechten beiden Säulen: Übergang von A nach I

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

9 Lautstärke Schallwelle entspricht Energietransport
Quantitatives Maß: Intensität Effektivwert Hörschwelle Ischwelle = (2·10-5 Pa)2 / 428 kg/m2s  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

10 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

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

12 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

13 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