Wellen 1. Longitudinale Wellen 2. Transversale Wellen 3. Druck- und Dichtewellen 4. Akustische Größen 5. Stehende Wellen 6. Spektralanalyse Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 Literatur M. Alonso, E.J. Finn, Physik, Oldenbourg Verlag, 3. Auflage, 2000. Demtröder, Experimentalphysik 1, Mechanik und Wärme, Springer Verlag, 6. Auflage 2013. H. Stöcker, Taschenbuch der Physik, Harri Deutsch Verlag, 5. Auflage, 2005. U. Michels, dtv-Atlas zur Musik, Tafeln und Texte, Band 1, dtv Verlag, 11 Auflage, 1987. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 1. Wellen, Longitudinalwelle im festen Körper Allgemeine Wellengleichung ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) = 2⋅ v ∂t 2 v= E : Scheitelwerte ξ : Veränderliche ρ : Ausbreitungsgeschw., : Effektivwerte Phasengeschwindigkeit E : Elastizitätsmodul ρ : Dichte des Mediums v Elastische Wellen in longitudinaler Richtung in einem Stab: Störung am Ende eines Stabes durch einen Hammerschlag Störung läuft fort entlang des Stabes und breitet sich innerhalb dieses aus. Der Stab wird elastisch verformt. Die veränderliche Größe in diesem Fall in Ort und Zeit ist die Verformung. Longitudinalwelle in einem Stab Lineare Verformung eines Stabes bei kleiner Belastung Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 1. Wellen, Longitudinalwelle im festen Körper Beweis: ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) = 2⋅ v ∂t 2 v= E ξ : ρ v E : ρ : σ : Wegen den auftretenden Spannungen gilt: σ= F A (i) Normalspannung Das Hoocksche Gesetz besagt, dass die mechanische Spannung proportional zur Verformungsänderung im Ort sein muss: σ = E⋅ ∂ξ ∂x (ii) Hooksche Gesetz ∂ξ Ausserdem gilt: ξ + dξ = ξ + dx ∂x und σ + dσ = σ + : ∂σ dx ∂x Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 : Scheitelwerte Veränderliche : Effektivwerte Ausbreitungsgeschw., Phasengeschwindigkeit Elastizitätsmodul Dichte des Mediums Mechanische Spannung, Normalspannung Longitudinalwelle 1. Wellen, Longitudinalwelle im festen Körper F = m⋅ d 2ξ dt Mit 2 σ = E⋅ und dF = dm ⋅ dt ∂ξ ∂x Aus (iii) und (iv) 2 ρ ⋅ A⋅ d ξ dt v= 2 d 2ξ = A⋅ E und σ= dF = ρ ⋅ A ⋅ dx ⋅ 2 d 2ξ dt 2 ∂ξ F = E⋅ A ∂x F A d 2ξ dF = ρ ⋅ A ⋅ 2 (iii) dx dt dF ∂ 2ξ = A⋅ E ⋅ 2 dx ∂x Allgemeine Wellengleichung ∂ 2ξ ρ d 2ξ 2 E dt 2 ∂x = ∂ 2ξ ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂ 2ξ ( x ,t ) = ⋅ 2 2 v ∂x 2 ∂t E ρ Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 (iv) 2. Transversale Welle im festen Körper Allgemeine Wellengleichung ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) = 2⋅ v ∂t 2 v= G ρ Elastische transversale Wellen in einem Stab: Der Stab wird durch eine Kraft in transversaler Richtung angeregt. Dadurch verformt sich der Stab wie im Bild gezeigt. Sei ξ eine transverale Verschiebung innerhalb eines kleinen Bereiches dx zum Zeitpunkt dt. ∂ξ Scherung ξ : v : G : ρ : τ : : Scheitelwerte Veränderliche : Effektivwerte Ausbreitungsgeschw., Phasengeschwindigkeit Scher- oder Schubmodul Dichte des Mediums Scherspannung ∂x Scherwelle in einem Stab Die örtliche Änderung der transversalen Verschiebung heißt Scherung. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 2. Transversale Wellen im festen Körper Beweis: ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) = 2⋅ v ∂t 2 v= G ξ : ρ v G : ρ : τ : Wegen den auftretenden Spannungen gilt: τ= F A (i) Scherspannung Das Hoocksche Gesetz besagt, dass die mechanische Spannung proportional zur Verformungsänderung im Ort sein muss: τ = G⋅ ∂ξ ∂x (ii) Hooksche Gesetz ∂ξ Ausserdem gilt: ξ + dξ = ξ + dx ∂x und τ + dτ = τ + : ∂τ dx ∂x Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 : Scheitelwerte Veränderliche : Effektivwerte Ausbreitungsgeschw., Phasengeschwindigkeit Scher- oder Schubmodul Dichte des Mediums Scherspannung Transversalwelle 2. Transversale Welle im festen Körper F = m⋅ d 2ξ dt 2 τ = G⋅ Mit und dF = dm ⋅ dt ∂ξ ∂x Aus (iii) und (iv) 2 ρ ⋅ A⋅ d ξ dt v= 2 d 2ξ = A⋅G und τ= dF = ρ ⋅ A ⋅ dx ⋅ 2 d 2ξ dt 2 ∂ξ F = G⋅ A ∂x F A d 2ξ dF = ρ ⋅ A ⋅ 2 (iii) dx dt dF ∂ 2ξ = A⋅G ⋅ 2 dx ∂x Allgemeine Wellengleichung ∂ 2ξ ρ d 2ξ 2 G dt 2 ∂x = ∂ 2ξ ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂ 2ξ ( x ,t ) = ⋅ 2 2 v ∂x 2 ∂t G ρ Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 (iv) 2. Transversale Welle Ein weiteres Beispiel für eine Transversale Welle ist eine Seilwelle. Transversale Seilwelle: Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 3. Druckwellen und Dichtewellen in Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Allgemeine Wellengleichung ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) = 2⋅ v ∂t 2 v= K : Scheitelwerte ξ : Veränderliche ρ0 : Ausbreitungsgeschw., : Effektivwerte Phasengeschwindigkeit K : Kompressionsmodul ρ : Dichte des Mediums Elastische Wellen in einem Gas: Die Druck- und Dichteschwankungen breiten sich im Gas wie eine Welle aus. Schall ist eine Druckwelle im Gas (Luft). v Aufgrund der Komprimierbarkeit in einem Gas, ändern sich Druck und Dichte gleichermaßen. Kompressionswelle in einer Gassäule Kompressionsmodul K = ρ0 ∂p ∂ρ [ K ] = Pa Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 3. Druckwellen und Dichtewellen in Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Die Druck- und Dichteschwankungen breiten sich im Gas wie eine Welle aus. Deshalb ist die Veränderliche ξ innerhalb der Wellengleichung der Druck oder die Dichte. Da in einem Gas (kompressible Flüssigkeit), Dichte und Druck miteinander zusammenhängen unterliegen beide Größen den gleichen Schwankungen. ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2ξ ( x ,t ) ∂ 2 p( x ,t ) 1 ∂ 2 p( x ,t ) = 2⋅ = 2⋅ ; 2 2 v ∂t v ∂t 2 ∂x ; ∂ 2 ρ ( x ,t ) ∂x 2 1 ∂ 2 ρ ( x ,t ) = 2⋅ v ∂t 2 Mit Hilfe der Eulerschen Bewegungsgleichung und der Kontinuitätsgleichung, kann die Wellengleichung für eine Druckwellenausbreitung bewiesen werden. Aufgrund der Komplexität des Beweises, wird hier drauf verzichtet und auf passende Literatur verwiesen [E. Meyer,E. Neumann: Physikalische und Technische Akustik]. v= K ρ0 Allgemeine Wellengleichung 2 2 1 ∂ p( x ,t ) ∂ p( x ,t ) = ⋅ 2 2 v ∂x 2 ∂t Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 3. Druckwellen und Dichtewellen in Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Ausserdem gilt für die Schallgeschwindigkeit auch v: v= κ⋅p = κ ⋅ RS ⋅ T ρ wegen p ρ p v = RS ⋅ T K Beweis: Mit ∂p K = ρ0 ∂ρ Weil ρ= m V und ρ~ pV κ = const 1 V κ 1 p = const V p = C ⋅ ρκ Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 ρ κ RS T V C : Scheitelwerte Mediums : Druck des : Ausbreitungsgeschw., : Effektivwerte Phasengeschwindigkeit : Kompressionsmodul : Dichte des Mediums : Adiabatenkoeff. : spez. Gaskonstante : Temperatur : Volumen : Konstante 3. Druckwellen und Dichtewellen in Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Durch Ableitung von p nach ρ ∂p = κ ⋅ C ⋅ ρ κ −1 ∂ρ p v K κ Durch Vergleich mit der Gleichung für K und mit p = C ⋅ ρ ρκ ∂p = ρ0 ⋅ κ ⋅ C ⋅ K = ρ0 K = ρ0 ⋅ κ ⋅ C ⋅ p ρ ∂ρ In v = K ρ0 ρ0 ⋅ κ ⋅ p v= ρ0 ⋅ ρ κ⋅p v= ρ ρ κ RS T V C qed. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 : Scheitelwerte Mediums : Druck des : Ausbreitungsgeschw., : Effektivwerte p Phasengeschwindigkeit K = ρ0 ⋅ κ ⋅ : Kompressionsmodulρ : Dichte des Mediums : Adiabatenkoeff. : spez. Gaskonstante : Temperatur : Volumen : Konstante 3. Druckwellen und Dichtewellen in Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Hinweis: Bei der Aufstellung der Wellengleichung wurden alle möglichen Verluste vernachlässigt. Nur dann gilt die allgemeine Wellengleichung wie hier diskutiert. Ansonsten muss der Verlustfaktor durch einfache Ableitung der veränderlichen Größe nach der Zeit ergänzt werden. Ein Beispiel hierfür zeigt die untere Gleichung für die Ausbreitung von Schall in einer porösen Keramik. ρ c Ξ χ v p P : Dichte des Mediums : Schallgeschwindigkeit : Strömungswiderstand : Strukturfaktor : Schnelle der Welle : Druck der Welle : Porosität Wellengleichung mit Verlusfaktor ∂2 p ∂2 p P Ξ ∂p = 2 ⋅χ 2 + 2 2 ∂x ∂t c ρc ∂t 1 Pore ∆p Schalldruck Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 ∆p 3. Druckwellen und Dichtewellen in Fluide (Gase und Flüssigkeiten) Im Fall von Wellen in Gasen (kompressible Medien) oder Flüssigkeiten (inkompressible Medien), fehlt das Schermodul G. Deshalb existieren hier nur Longitudinalwellen! Die Schallgeschwindigkeit ist an die Druck- und Dichteänderung im Medium gebunden. Gehört zur Druckstörung ∆p eine kleine Dichteänderung ∆ρ dann ist das Medium inkompressibel und die Schallgeschwindigkeit ist groß. Gehört dagegen zur Druckstörung eine große Dichteänderung, dann ist das Medium kompressibel und die Schallgeschwindigkeit ist klein. Im Fall einer Wellenbewegung werden Impuls und Energie übertragen. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 4. Wichtige akustische Größen Schallwellendruck: 2π p( x,t ) = ξ0 ⋅ sin ( x − vt ) λ mit k= 2π λ p( x,t ) = p0 ⋅ sin(kx − ω t ) Hörbare Frequenzen für das menschliche Gehör: 16 Hz bis ca. 16 kHz Schallpegel: Druckänderung aufgrund der Bewegung, Schwingung von Gasmolekülen im Bereich von: p 2 ⋅ 10−5 Pa bis 20 Pa dB L 20 log = Schalldruckpegel LW: für 1000 Hz W p0 0 dB 120 dB bis Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 4. Wichtige akustische Größen Ton: Harmonische Schwingung mit nahezu konstanter Amplitude. Tonhöhe: Ist durch die Frequenz bestimmt. Zum Beispiel wurde der Kammerton a1 auf 440 Hz bei 20°C festgelegt (Stimmtonkonferenz in London 1937). Stärke eines Tons: Bestimmt durch die quadrierte Amplitude (maximale Auslenkung). Klang: Besteht aus der Summe von Sinustönen oder Kosinustönen. Deshalb ist der Klang kein reiner Ton. Die Teiltöne können mit einer Fourier-Zerlegung bestimmt werden. Auf der Abzisse wird der Schalldruck aufgetragen, damit die Lautstärke ermittelt werden kann. Auf der Ordinate wird die Frequenz aufgetragen, die den Ort des Teiltons angibt. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 4. Wichtige akustische Größen Geräusch: Die Schwingungen sind unharmonisch. Außerdem sind sie unregelmäßig in der Periode. Ihre Amplituden und auch ihre Frequenzen ändern sich statistisch. Knall: Unperiodische kurze Schwingungsimpulse (Quelle: dtv-Atlas zur Musik). Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 4. Wichtige akustische Größen Quelle: U. Michels, dtv-Atlas zur Musik Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 5. Stehende Wellen Stehende Wellen, entstehen durch Überlagerung zweier Wellen mit gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und gleichem Phasenwinkel, aber entgegengesetzter Laufrichtung. Die Wellenzahlvektoren beider Wellen sind betragsgleich und antiparallel. Erzeugung von stehenden Wellen zum Beispiel: Kundtsches Rohr: Erzeugung von longitudinalen, stehenden Wellen. Die Wellen werden innerhalb eines Glasrohrs sichtbar gemacht. An einem Ende des Rohrs befindet sich ein Lautsprecher. Am anderen Ende wird das Rohr durch einen Stempel abgeschlossen. Der Lautsprecher bringt die Luftsäule zum Schwingen. Durch die Änderung der Lage des Stempels, kann die Länge der Luftsäule variiert werden. Erzeugung von Klangfiguren auf eine Membran: Eine dünne Membran oder Metallplatte die mit feinem Sand versehen wird. Durch das Anstreichen eines Geigenbogens am Rande der Membran, wird diese zum Schwingen angeregt. Dabei entstehen verschiedene Oberschwingungen. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 λn : Wellenlänge l : n : 5. Stehende Wellen, Eigneschwingungen Saitenlänge Knotenzahl zwei feste Enden λn = n=0 n=1 2l n+1 Grundschwingung λ0 = 2l Saite v 2l Grundfrequenz f0 = Grundschwingung λ0 = 4l n=2 ein freies, ein festes Ende λn = n=0 n=1 4l 2n + 1 n=2 Stab v 4l Grundfrequenz f0 = Grundschwingung λ0 = 2l zwei freie Enden λn = n=0 n=1 n=2 2l n+1 Grundfrequenz Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 f0 = v 2l Kundtsche Rohr 5. Stehende Wellen Erzeugung von Klangfiguren auf eine Membran: Eine dünne Membran oder Metallplatte die mit feinem Sand versehen wird. Durch das Anstreichen eines Geigenbogens am Rande der Membran, wird diese zum Schwingen angeregt. Dabei entstehen verschiedene Oberschwingungen. Zweidimensionale Eigenschwingungen von Membranen 2 2 2 ∂ ξ 1 ∂ ξ ( x ,t ) ∂ ξ = ⋅ + 2 2 2 v ∂t 2 ∂x ∂x Lösung der Wellengleichung: ξ( x, y,t ) = ξ0( x, y ) ⋅ sin(ω t ) ξ k λ : : : m,n : a,b : σ : ρ : Veränderliche Wellenzahl Wellenlänge Knotenzahlen Begrenzungen Zugspannung Dichte Membran Amplitudenfunktion ξ0(x,y) ist abhängig von Randbedingungen. Mögliche Eigenschwingungen für: ξm ,n ( x , y ) = ξ0 ⋅ sin ( m + 1 )π x ( n + 1 )π y ⋅ sin ⋅ cos( ωmnt ) a b Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 Quelle: Stöcker: Taschenbuch der Physik 5. Stehende Wellen Für die Wellenzahl k gilt: 1 2 2 2 1 k = k x + k y = 4π + λ2 λ2 y x ξ 2 k λ Für die Kreisfrequenz ω gilt: σ m + 1 n + 1 ωm ,n = π + ρ a b 2 : : 2 : m,n : a,b : σ : ρ : Veränderliche Wellenzahl Wellenlänge Knotenzahlen Begrenzungen Zugspannung Dichte Membran Klangfiguren einer quadratischen, eingespannten Platte Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 Cladnische Kangfigur 161Hz Cladnische Kangfigur 564Hz Cladnische Kangfigur 1060Hz Cladnische Kangfigur 1307Hz 5. Stehende Wellen Für eine kreisförmige Einspannung einer Membran, gilt: 1 1 ∂ξ 1 ∂ 2ξ 1 ∂ 2ξ = 2 2 r + 2 2 r ∂r ∂r r ∂ϕ v ∂t Lösung der Wellengleichung: rn, p ⋅ [ξ1 cos( pϕ ) + ξ2 sin( pϕ )]⋅ cos(ωn, pt ) ξn, p( r ,ϕ ,t ) = J p r R rn , p σ ωn , p = R ρ Frequenz der Eigenschwingung Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 ξ N p Jp R σ ρ rn,p : : : : : : : : Veränderliche Radialknoten Azimutknoten Besselfunktion p-ter O. Radius Membran Zugspannung Dichte Membran n-te Nullstelle der Besselfkt. 6. Spektrale Darstellung von Zeitfunktionen , Fourier-Reihe Die mathematische Darstellung einer periodischen Zeitfunktion u(t): An(nω) u( t ) = u( t + kT ); k = 0 , ± 1, ± 2 , ...; T : Periodendauer Eine periodische Funktion, die in ihrem Grundintervall 0 < t < T beschränkt und stückweise stetig ist, läßt sich in eine konvergente Fourier-Reihe entwickeln: a0 ∞ b u( t ) = + ∑ An cos( nω t − ϕ n ) ; An = an2 + bn2 ; ϕ n = arctan n 2 n =1 an Für die Koeffizienten a0, an, bn gilt: T 0 T 2 an = ∫ u( t ) cos nω t dt ; T 0 ω 2ω 3ω 4ω Oberwellen, Harmonische Grundschwingung a0 ∞ 2π u( t ) = + ∑ ( an cos nω t + bn sin nω t ); ω = 2 n =1 T a0 1 = u( t )dt ; 2 T∫ ω T 2 bn = ∫ u( t ) sin nω t dt T 0 Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017 Gleichanteil 6. Spektrale Darstellung von Zeitfunktionen , Fourier-Reihe Jede periodische Zeitfunktion läßt sich als Überlagerung darstellen eines Gleichanteils a0/2 (zeitlicher Mittelwert), einer Grundschwingung (n = 1), die die gleiche Periodendauer wie die ursprüngliche Funktion hat, und Oberschwingungen (Harmonische) (n = 2, 3, ...), deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind. Beispiele: Überlagerung von harmonischen Schwingungen mit verschiedener Phasenverschiebung. An(nω) ω ω 2ω 3ω 4ω Oberwellen, Harmonische Grundschwingung Gleichanteil Eine periodische Zeitfunktion besteht aus ein Spektrum An(nω), das aus diskreten, äquidistanten Linien mit den Kreisfrequenzen nω besteht, es handelt sich um ein Linienspektrum. Prof. Dr.-Ing. Barbara Hippauf © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes; Physik, SS 2017