Kompressibilität des Materials für Gase Schallwellen und Medium Versuch: Klingel unter...
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1c Kompressibilität des Materials
molM
TRc
für Gase
Schallwellen und MediumVersuch: Klingel unter Vakuumglocke
Schallgeschwindigkeit
c
Laufzeitmessungim Praktikum
5.3 Schallwellen, Akustik
Versuch: Luftsäule mit Pulver longitudinaleWelle
Momentaufnahme
Maxima:
Wellenlänge Frequenz
Wechseldruck Schallschnelle
pmax
pmin
p0
Stoff Schallgeschwindigkeit m/s Dichte kg/m3 Wellenwiderstand Z kg/(m2s)Luft (normal) 331 1,293 0,000428 ·106
Fett 1470 970 1,42 ·106
Wasser (20 °C) 1483 998,2 1, 480 ·106
Gehirn 1530 1020 1,56 ·106
Muskel 1568 1040 1,63 ·106
Knochenmark 1700 970 1,65 ·106
Knochen (kompakt) 3600 1700 6,12 ·106
bei = 1kHz = 0,33 m
= 1,5 m
= 3,6 m
ttppp cos~odercos~00
Wechseldruck [Pa] Wechseldichte [kg/m3]
tcosv~v
Schallschnelle [m/s]
pZSchall
~1v~
Wellenwiderstand [kg/m2s]„Materialkonstante“
cZSchall
Schmerzgrenze
Amplituden der Schallwelle
100 Pa
Zahlenbeispiel: Luft Wechseldruck 1mbar Schallschnelle 0,23 m/ssm
kgZ 2428
Knochen Wechseldruck 1mbar Schallschnelle 16 µm/ssm
kgZ 2
61012,6
Daten zu akustischen Wellen
Stoff Schallgeschwindigkeit m/s Dichte kg/m3 Wellenwiderstand Z kg/(m2s) Luft (normal) 331 1,293 0,000428 ·106
Fett 1470 970 1,42 ·106 Wasser (20 °C) 1483 998,2 1, 480 ·106 Gehirn 1530 1020 1,56 ·106 Muskel 1568 1040 1,63 ·106 Knochenmark 1700 970 1,65 ·106 Knochen (kompakt) 3600 1700 6,12 ·106
große Unterschiede guter Kontrast im Ultraschalbild
Verhalten von Schallwellen an einer Grenzfläche
Brechung von Schallwellenschwer beobachtbar, da ein Schallstrahl nicht leicht erzeugbar ist.
TransmissionLuft Gewebe
12
12
ZZ
ZZr
Reflexion
10 rZ1 Z2
1v~ 2v~
Ausbreitung im begrenzten Raum
durch Reflexionen und Beugung und Interferenz geprägt.
Akustik
m = 1 m = 3
stehende Welle: Rohrende mit Knoten
4
124
1224
cmmml
ganzzahliges m Abstrahlung durch gesamte LuftsäuleEindruck laut!
Modellraum: schwingende Luftsäule
l
v = vmax v = 0
Experiment mit He
Vokale
Registrierung von Sprachlautenauf einem Oszillographen
Mundhöhle als Resonanzraum
i
iii tatA sin)(beliebige Zeitfunktion
Amplitude Frequenzstationär
Darstellung von Amplitude und Frequenz in der Zeit Spektrum
Sprache: zeitabhängigÜbergang von einem Laut zum nächsten
A 800 - 1100E 400 - 600 1700 - 1900 2200 - 2600I 200 - 400 1900 - 2100 3000 - 3200O 400 - 700U 300 - 500
Formanten charakteristisches Frequenzintervall
in Hz
Fourierdarstellung
Wie identifiziert man Sprachlaute?
Simulation
Aufnahme
Schwebung?
Spektrum Frequenz
0 Hz
1000 Hz
2000 Hz
3000 Hz
4000 Hz
Farben entsprechenIntensitäten
Grundfrequenz
3 Sekunden
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
Empfindlichkeit Anpassung Übersetzung Ohrmuschel, Trommelfell, Knochenmechanik
Zeitanalyse Frequenz und räumlicher Eindruck
Amplitudenunterschiede rechts/links räumlicher Eindruck
Detektion von Schallwellen Ohr
Frequenzanalyse Basilarmembran
Schallwelle entspricht Energietransport
Quantitatives Maß: IntensitätZ
p
Z
pp
m
W
ms
JI eff
22
21
22
~
2
~v~~
EffektivwertHörschwelle nmHgPabarp 15,0102102~ 54
min
Ischwelle = (2·10-5 Pa)2 / 428 kg/m2s 10-12 W/m2 in Luft
Schmerzgrenze mmHgPabarp 46,060106~ 4max
Imax 1 W/m2
Dynamik 106 für Druck und 1012 für Energie
L(Hörschwelle) 0dB L(Schmerzgrenze) 120 dB
Schallstärke: relatives Maß bezogen auf die „Hörschwelle“ I0 = 10-12W/m2 bei 1kHz
I = I0·10L DezibeldBp
pBel
p
pBel
I
IL
000~
~log20~
~log2log
Logarithmus
Schalldruckpegel (dB SPL) sound pressure level
Lautstärke
1 2 0
1 0 0
8 0
6 0
4 0
2 0
0
3 1 ,5 6 3 1 2 5 2 5 0 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0F re q u e n z (H z )
Kurven gleichen Lautstärkeeindrucks IsophoneEmpfindlichkeit Ohr
Bezugs-schalldruck
Schalldruckpegel (dB SPL)
Donner
lauter Industrielärm
lauter Straßenlärm
normales Gespräch
leises Gespräch
ländliche Ruhe
Lautstärkepegel1Phon = 1dB SPL bei 1kHz
Isophonen
normale Hörschwelle
Schmerz-schwelleUnbehaglichkeitsschwelle
Hauptsprach-bereich
130
110
90
70
50
30
10
Preßluft-Sirene (7m) 131 Büro mit Buchungsmaschinen 75
Kesselschmiede 125 Mittlerer Straßenverkehr 70
Preßlufthammer (1m) 120 Unterhaltungssprache (1m) 65
Sandstrahlgebläse (1m) 115 Schwacher Straßenverkehr 50
Flugzeug mitStrahlantrieb (200m)
115Niedriger Geräuschpegel inWohnvierteln bei Nacht
50
Hupe (1m) 110 Blätterrauschen 40
Weberei 100 Rundfunksprechstudio 30
Lastkraftwagen (7m) 90 Schalltoter Raum (gut isoliert) 20
Motorrad (7m) 85 Hörschwelle (jugendliches Ohr) 0
PKW (7m) 80
Frequenzspektrum bewertet mit Filter A (etwa der Hörempfindlichkeit des Ohres folgend)
Lautstärke einiger Geräusche in dB(A)
> 20 kHz jenseits der Hörgrenze
Wellenlänge in Luft: < 1,6 cm gute räumliche Auflösung möglich
Anpassung des Wellenwiderstandes an Grenzflächen Gel optimiertes Eindringen
Gewebewirkung?
Therapeutischer Einsatz Ultraschallsender bei 870 kHz typische Leistungen 10 W Sendefläche 4 cm2
Sendeintensität I = 2,5·104 W/m2
Wechseldruck: barPamWsmkgIZpeff 2102/105,2/106,1~ 52426
Muskel
Schallschnelle: smsmZ
I
Z
peffeff /12,0/12,0
~v~ Wechseldruck ist
von Bedeutung
Ultraschall
Resonanzanregung im Körper Zertrümmerung von Nierensteinen
Ultraschallpulse
Bilderzeugung oder Geschwindigkeitsmessung, -feldz.B. Dopplereffekt
Reflexion an Strukturen Grenzflächen, da Wechsel des Wellenwiderstandes
Laufzeit zum Empfänger Entfernung
Amplitude der reflektierten Welle Material Schwärzung oder Falschfarben
Konstruktion eines BildesZusammensetzung von verschiedenen StrahlrichtungenUltraschalltomographie
Impuls-Echo-Verfahren
Pulsverfahren
Diagnostischer Einsatz
Licht
Dauerschall-Verfahren: Frequenzverschiebung zwischen bewegtem Sender und/oder Empfänger Doppler-Effekt
Messung von Strömungen, Durchblutung Reflektorf
cf
v
Doppler