physik für lehramt - universität...
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1
17b Akustik
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2
Zusammenfassung
CT
sm C
°+= °
2731331vLuft
( )tkxAP ωωρ −=Δ sinv max
[ ] ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=
=
==
2
2max
mWEinheit
v²21
FlächeLeistung
Fläche1
ZeitEnergie
I
AI
I
ρω
Druckänderung
Schallgeschwindigkeit in einem Medium ist temperaturabhängig
Intensität
rAAI
rI
1 da
1
2
2
≈⇒≈
≈quadratischer Abfall der Intensität bei einer Kugelwelle
[ ] [ ]dBEinheit Menschen des eHörschwell :
m²W10 wobei
log10
0
120
0
=
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
β
β
I
I
II
Lautstärkeeinheit Dezibel
Schallgeschwindigkeit ist abhängig von den Eigenschaften des Mediums
Einheit Dezibel ist dimensionslos
90° Phasenverschiebung zwischen Amplitude und Druck
ideales Gas(Thema Thermodynamik)
Fehler im Skript Wellen
[ ]Molekül
Gas mKkTγ=v
γ=cp/cVgasspezifische
Konstante
AuslenkungFrequenz der AnregungSchallgeschwindigkeitDichte des Medium
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3
Dopplereffektbewegte Schallquelle
Dieser Beobachter hört eine tiefere Frequenz
Dieser Beobachter hört eine höhere Frequenz
Für diesen Beobachter ändert sich die Frequenz nicht
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4
Dopplereffekt
Situation ASchallquelle bewegt sich auf
einen ruhenden Beobachter zu
Sv
Frequenz
Situation BBeobachter bewegt sich in Richtung
einer ruhenden Schallquelle
Wo sind die Unterschiede?
Frequenz der Schallquelle ändert sich Frequenz der Schallquelle ändert sich nicht
Dv
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5
Dopplereffektstationärer Beobachter – stationäre Schallquelle
rschiebungFrequenzve keine
v
1vder Zeit tin zügeder Wellen Anzahl
Medium imt hwindigkeiSchallgesc vwobeiv
in Zeit s Wellenzugeines gAusbreitun
1 :Periode
Q leSchallquelder f Frequenz lteAusgestrah
λ
λM
M
M
M
f
ttf
tt
fT
=
=
=
wie erwartet
λλMM
ttf v1v
allZeitinterve WellenzügAnzahl Frequenz
==
=
Schallquelle ruht
Schallquelle bewegt sich
Schallquelle bewegt sich mit annähernd Schallgeschwindigkeit
betrachte Fall: Schallquelle ruht
λtMvtMv
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6
Dopplereffektbewegter Beobachter – stationäre Schallquelle
( )
( )
ff
fff
tttf
tt
ttt
tS
Dmov
Dmov
f
Dmov
M
DM'
M
DM
MDM
'
v
DMDM'
DM
DM
D
D
vvv
Allgemeinv
vvv
vv
1vv1vvFrequenz mene wahrgenomBeobachter Vom
vvügeen Wellenzdetektiert D Beobachter der vom Anzahl
vvD Ruhesystem im der Zeit in eSchallwellder gAusbreitun
vzu Quelle auf gkeit vGeschwindimit sich bewegt D Beobachter
±=
+=+=
↓
+=+
=
+
+
=λ
λλ
λ
erhöhte Frequenz, wenn sich der Beobachter sich mit einer Geschwindigkeit annähert (+)
erniedrigte Frequenz, wenn sich der Beobachter mit einer
Geschwindigkeit entfernt (-)
Welches Vorzeichen ?
zeitlicher Abstand zwischen Wellenzügen nimmt ab
schnellere Annäherung der Wellenzüge
Frequenz erhöht sich
obachtersgkeitdesBeGeschwindi:vMedium imt hwindigkeiSchallgesc:v
D
M
FrequenzeWellenlängthwindigkeiSchallgesc ×=
→==ttff λλv
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7
Dopplereffektruhender Beobachter – bewegte Schallquelle
Q
'
QQQ
'
Q
Q
Q
vvv
Allgemein
vvv
vvv
vvv
'v
Frequenz mene wahrgenomD Beobachter der vom Anzahlvv'zu W2 von W1Abstand
nach Zeit W2ugon WellenzEmission vvder Zeit in Quelleder Bewegung
vder Zeit in W1eSchallwellder gAusbreitunzu D Beobachterden auf gkeit vGeschwindi
mit sich bewegt Q leSchallquel
±=
−=
−=
−==
−=→
→→
M
MQmov
M
M
M
M
M
MMQmov
M
M
ff
f
ffTT
f
TTTTT
TT
λ
λ
Wellenzug 1Wellenzug 2Wellenzug 3
Frequenz erniedrigt sich wenn sich die Schallquelle mit einer Geschwindigkeit entfernt (-)
Frequenz erhöht sich wenn sich die Schallquelle sich mit einer
Geschwindigkeit annähert (+)
Vorzeichen
Frequenz erhöht sich
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8
Dopplereffektbewegter Beobachter – bewegte Schallquelle
ffQM
DM⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ±=
vvvv'
ektDopplereffden für Formel Allgemeine
m
bewegte Schallquelle, ruhender Beobachterruhende Schallquelle, bewegter Beobachter
oberes Vorzeichen: Objekte bewegen
sich aufeinander zu
unteres Vorzeichen: Objekte entfernen sich voneinander
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9
Expansion des Universums
Edwin Powell Hubble1889-1953
Temperatur des Universums 3 Kelvin Kosmische Hintergrundstrahlung
Anisotropie durch Bewegung der Milchstrasse relative zum Mikrowellenhintergrund
Dopplereffekt
Mpcskm72
KonstanteHubble
0 ⋅=H
Durch die Bewegung verschieben sich die Absorptions- und Emissionslinien der Atome
Quelle der Strahlung entfernt sich
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Schockwellen
Ist die Geschwindigkeit der Quelle höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle im Medium kommt es zur Ausbildung von Schockwellen.
Überschallgeschwindigkeit
hkm3240
sm 900 entspricht 3Mach :Beispiel
Medium imt hwindigkeiSchallgescQuelleder gkeit Geschwindi
Machzahl
=
=M
MDefinition
Geschwindigkeit der Schallquelle nähert sich der Schallgeschwindigkeit im Medium
snd: Schallgeschwindigkeit
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11
Schockwellen
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=Θ
==Θ
Quelle
M
Quelle
M
Quelle
M
tt
vvarcsin
vv
vvsin
MachkegelsdesWinkel
tvQuelle
tvMΘ
Überschallschockwelle einer Geschosspatrone
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SchockwellenAusgesandte Schallwellen der Quelle steilen sich auf entlang eines Kegels, der sich mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums fortbewegt. Dabei wird die Energie der
Schallwelle konzentriert (Überschallknall)Interferenz (später mehr davon)
Geschwindigkeit des Bootes höher als die
Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wasserwellen
Überschallschockwelle einer Geschosspatrone
tvQuelle
tvM Θ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=Θ
==Θ
Quelle
M
Quelle
M
Quelle
M
tt
vvarcsin
vv
vvsin
Machkegels des Winkel
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13
Cherenkov-Strahlung
Vorgriff auf Kapitel Optik
Geschwindigkeit von Licht in einem Medium ist geringer als die
Lichtgeschwindigkeit im VakuumGeschwindigkeit der aus dem
Weltraum einfallenden Teilchen ist höher als die Lichtgeschwindigkeit
im Medium Luft
Cherenkov-Strahlungim Abklingbecken
eines Atomreaktors
Lichtgeschwindigkeit in Wasser
225.000.000 m/s im Vakuum
299.792.458 m/s
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Stehende Wellen
Knotenkeine Auslenkung
Antiknotenmaximale Auslenkung
Knoten
Antiknoten
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Stehende Wellen bei fixierten Enden
Schnappschüsse der Welle zu unterschiedlichen
Zeiten
Zeit
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Obertöne auf einem Seil
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Sweet spot
COP
COP: center of percussion
Hand
Problem: durch Stoß wird sowohl eine Translation
als auch eine Rotation ausgelöst.
Translation
Rotation
Aufprall unterhalb COPresultierendes Drehmoment
Drehpunkt
COP
Hand
Problem: durch Stoß wird eine Translations-bewegung des Schlägers ausgelöst
Aufprall oberhalb COPresultierende Translation
Drehpunkt Translation
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Hear the sweet spot!
locker mit zwei Fingern halten
mit dem Tennisball leicht gegen die Bespannung tippen
auf den resultierenden Ton achten
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19
Sweet Spots
Drehpunkt
Center of percussion
vergleiche Mathematisches Pendel
Vermutung nicht ganz unbegründet,denn Vorteil für den Batter
kein resultierendes Drehmoment
15 cm
2
2
4
2T
π
π
gTLCOP
gL
==
=
Center of oszillation
zusätzliches Drehmomentwenn Einschlag unterhalb COP
Vermutung über lange Zeitsweet spot lokalisiert am
center of percussion(COP)
ein inzwischen ausgewechselter
Spieler
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20
Sweet Spot
DrehpunktUntersuchungen zeigen
Beim Aufprall des Balls verschiebt sich der Drehpunkt
6.5 cm
2.5 cm
center of percussion verschiebt sich dadurch ebenfalls
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21
Sweet Spot
Wechselwirkungszeit des Balls mit dem Schläger etwa 1 ms
Grundmode hat bei Knoten etwa 18 cm vom Ende des Schlägers
Durch den Einschlag des Balls wird zusätzlich eine Oszillation des Schlägers angeregt
Nächst höhere Mode hat Knoten in 10 cm Entfernung vom
Schlägerende
Trifft der Ball im Bereich von 12 cm bis 20 cm den Schläger
werden die Vibrationsmoden des Schlägers nur gering angeregt.
Kinetische Energie des Schläger effektiv in kinetische Energie des
Ball überführt
Nur wenige Moden des Schlägers werden angeregt
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22
Sweet Spot
inch
Verschiebung der Vibrationsmoden durch die Hand des Batters
Zusätzlicher Beitrag in Aluminiumschlägern durch Atmungsschwingung des Schlägers
Abhängigkeit der Position der Hand auf die Schwingungsmoden
Atmungsmode
inch
inch inch
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23
Grand Piano
cm 1.71kHz 20
sm342.9
m 17.15Hz 20
sm342.9
v
eWellenläng
sm9.342)20(v
eSchallwelleiner gkeit Geschwindi
Hz 20000 bis Hz 20Ohrs desreich Frequenzbe
min
Hz 20000
max
Hz 20
==→
==→
=
⇓
=°=
↓
λ
λ
λ f
TcLuftTiefster Ton beim Konzertflügel A2 =27.5 Hzd.h. Saitenlänge 12.47 m
220 Hz110 Hz55 Hz27.5 Hz 440 Hz
CT
sm C
Luft °+=
2731331v
Diese Frequenz kann gar nicht anschwingen!
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24
Interferenz
Wellen überlagern sich und die Amplitude der Welle erhöht sich an einem gewissen Ort
konstruktive Interferenz
Wellen überlagern sich und die Amplitude der Welle erniedrigt sich an einem gewissen Ort
destruktive Interferenz
Wellenzüge, die sich aufeinander zu bewegen
reduzierte Amplitudeerhöhte Amplitude
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25
Interferenz
S1
S2
L2
L2
gleiche Wellenlänge λgleiche Phase bei der Emission
P
Überlagerung zweier Schallwellen am Punkt P Annahme 1L1 gleich L2
Wellen am Punkt P in Phasekonstruktive Interferenz
Annahme 2L1 ungleich L2
Wellen am Punkt P möglicherweise nicht in Phase
Amplitude der Welle hängt vom relativen Längenunterschied ab
( )
( ) ,...5.2 ,5.1 ,5.0 122 von Vielfachen bei zInterferen edestruktiv,...2 ,1 ,0int 2
2 von Vielfachen bei zInterferen vekonstrukti
22
12
λλλπφπ
λλλπφπ
λπφ
λπφ
=Δ⇒+⋅=
=Δ⇒⋅=
Δ=⇒
Δ=
−=Δ
Lm
Lmm
LLLLL
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26
SuperpositionPhasenbeziehung
Änderung der Weglänge verursacht eine Modulation der Lautstärke
vollständig konstruktive Interferenz
vollständig destruktive Interferenz
WICHTIGAmplitude verdoppelt sich!
Da Energie, Leistung und Intensität proportional zum Quadrat der Amplitude vervierfachen sich diese Werte!
Heimwerker - Interferometer
Phasenwinkel 0°
Phasenwinkel 180°
Phasenwinkel 60°
resultierende Amplitude21 yyy AAA +=
resultierende Amplitude 021=+= yyy AAA
resultierende Amplitude21
, yyy AAA >
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27
Stehende Welleneindimensional
FlageolettStimmen einer Gitarre
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28
Resonanz
m 0.9745
m 0.5843
m 0.1941
m 0.19Hz 4404sm343
4v
3
2
1
AKammerton 1
==
==
==
=⋅
==
λ
λ
λ
L
L
L
fL Luft
Erforderliche Längen der Röhre beim Kammerton A (440 Hz)
Länge anpassenoder
Frequenz anpassen
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29
Eigenschwingung einer ViolineZweidimensionale Klangfiguren
Lautsprecher regt den Boden der Violine zu Schwingungen an
An den Stellen, wo sich der Sand sammelt, befinden sich Schwingungsbäuche
nahe einer Resonanz des Bodens
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30
Chladnische Klangfiguren
Resonanzen in einem Geigenkörper bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen
Ernst Florens Friedrich Chladni(1756 - 1827)
![Page 31: Physik für Lehramt - Universität Rostockweb.physik.uni-rostock.de/.../P4LA1/WS20xx/WS2008-ppt2pdf/17b_Akustik.pdf · 2 Zusammenfassung C T s m C 273 Luft v 331 1 Δ =ρω max v](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022041213/5e00e661fd06e8649418d2d6/html5/thumbnails/31.jpg)
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Stehende WellenKesselpauke
Bewegung nach unten Bewegung
nach oben
Bewegungsrichtung des Fells zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Schwingung
AB
CD
E F
A B C
D
EF