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5.3 Schallwellen, Akustik

Versuch: Klingel unter Vakuumglocke. Schallwellen und Medium. p max. p 0. p min. Momentaufnahme. Schallgeschwindigkeit. Maxima:. Wechseldruck. Schallschnelle. Laufzeitmessung im Praktikum. Wellenlänge l. Frequenz n. bei n = 1kHz. l = 0,33 m. l = 1,5 m. l = 3,6 m.

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5.3 Schallwellen, Akustik

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Presentation Transcript

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

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

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

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

  5. Mundhöhle als Resonanzraum Vokale Registrierung von Sprachlauten auf einem Oszillographen

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

  7. Frequenz 4000 Hz 3000 Hz 2000 Hz 1000 Hz 0 Hz talen Wollt Ihr den to 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 3 Sekunden Spektrum Farben entsprechen Intensitäten Grundfrequenz

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

  9. Hörschwelle Ischwelle = (2·10-5 Pa)2 / 428 kg/m2s  10-12 W/m2in Luft Schmerzgrenze Imax 1 W/m2 Dynamik 106 für Druck und 1012 für Energie Logarithmus L(Hörschwelle)  0dB L(Schmerzgrenze)  120 dB Schalldruckpegel (dB SPL) sound pressure level Schallwelle entspricht Energietransport Lautstärke Quantitatives Maß: Intensität Effektivwert Schallstärke: relatives Maß bezogen auf die „Hörschwelle“ I0 = 10-12W/m2 bei 1kHz I = I0·10L

  10. Kurven gleichen Lautstärkeeindrucks Isophone Schmerz- schwelle 130 Unbehaglich keitsschwelle 110 90 70 50 Hauptsprach- bereich 30 10 normale Hörschwelle Empfindlichkeit Ohr Lautstärkepegel 1Phon = 1dB SPL bei 1kHz Schalldruckpegel (dB SPL) 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. Therapeutischer Einsatz Ultraschallsender bei 870 kHz typische Leistungen 10 W Sendefläche 4 cm2 Sendeintensität I = 2,5·104 W/m2 Wechseldruck: Muskel Schallschnelle: Resonanzanregung im Körper  Zertrümmerung von Nierensteinen Ultraschallpulse n > 20 kHz jenseits der Hörgrenze Ultraschall Wellenlänge in Luft: l < 1,6 cm  gute räumliche Auflösung möglich Anpassung des Wellenwiderstandes an Grenzflächen  Gel  optimiertes Eindringen Gewebewirkung? Wechseldruck ist von Bedeutung

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

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