Akustik - Die Lehre vom Schall

Schallerreger	Schallüberträger	Schallempfänger
Gitarre Radio Sänger Motor...	Luft Wasser ...	Ohr Mikrophon  ...

Die Erregung des Schalls

Aufgabe / Lösung Gegegeben: n = 20; t = 30 s. Gesucht: T Wegen T = t/n gilt: T = 30s/20 = 1,5 s

Aufgabe / Lösung Was bedeutet: T = 0,2 s T = 0,002 s T = 2 s T = 0,2 s : In 1 s werden 5 Perioden durchlaufen. T = 0,002 s : In 1 s werden 500 Perioden durchlaufen. T = 2 s : In 1 s werden 0,5 Perioden durchlaufen.

Formel Hz (Hertz) = 1 Schwingung pro Sekunde

Periodendauer und Frequenz beim Fadenpendel

Beispiele

Betrachte die Schwingungsbewegung am Besten so, dass die Zeit gerade startet
(t = 0s), wenn das Pendel ganz links in der maximalen Auslenkung ist.

Pendel 1

	Dies ist ein sehr langsam schwingendes Pendel: Von der maximalen Auslenkung links bis zur Mitte benötigt es etwa 1 s, bis zur maximalen Auslenkung rechts vergeht eine weitere Sekunde. Nach 3 s ist es wieder in der Mitte und nach 4 s erreicht es den Ausgangspunkt links.
Danach beginnt der Pendelvorgang erneut, eine Periode ist zu Ende. Die Zeit für eine Periode nennt man die Periodendauer T. Die Periodendauer ist bei diesem Pendel T = 4 s. Die Zahl der Schwingungen in einer Sekunde bezeichnet man als Frequenz f. In einer Sekunde schafft dieses Pendel 1/4 seiner Pendelbewegung, seine Frequenz ist also f = 1/4 Hz.

Pendel 2

Es schwingt schneller. Diesmal dauert es von ganz links nach ganz rechts nur 1 s, zurück wieder nur 1 s. Die Periodendauer ist hier T = 2 s. In einer Sekunde schafft das Pendel die Hälfte (1/2) seiner Pendelbewegung, seine Frequenz ist damit f = 1/2 Hz.

Pendel 3

Dieses Pendel ist ein "Sekundenpendel". Die Periodendauer ist hier T = 1 s. In jeder Sekunde schafft das Pendel genau eine Pendelbewegung, die Frequenz ist damit f = 1 Hz.

Pendel 4

Benötigt das Pendel für eine Schwingung nur eine halbe Sekunde —› T = 1/2 s,
dann schafft es in einer Sekunde zwei Schwingungen —› f = 2 Hz.

Pendel 5

Ein Pendel, das für eine Schwingung nur T = 1/4s benötigt,
macht in einer Sekunde 4 Schwingungen, hat also die Frequenz f = 4Hz.

Zusammenstellung dieser Ergebnisse

Pendel	Periodendauer T	Frequenz f
1	4 s	1/4 Hz
2	2 s	1/2 Hz
3	1 s	1 Hz
4	1/2 s	2 Hz
5	1/4 s	4 Hz

Aufzeichnung

Aufgabe / Lösung Wie kann man Schwingungen aufzeichnen? 1. Schreibstimmgabel Schwingung deutlich sichtbar. Sehr kleine Amplitude.   2. Bleistiftpendel Gedämpfte Schwingungen. Amplituden nehmen ab.     3. Oszilloskop-Aufzeichnung Ungedämpfte Schwingungen. Amplituden bleiben konstant. 4. Magnetaufzeichnung (z.B.: Tonbandkassette)   5. Digitale Aufzeichnung (z.B.: CD, DVD, Festplatte)

Ausbreitung des Schalls

Wie breitet sich Schall aus?
Wie gelangt er von der Schallquelle zum Ohr?

Versuch Klingel in Vakuumglocke Bei dem Versuch befindet sich eine Klingel unter einer Vakuumglocke. Man testet dabei, ob man die Klingel weiterhin hört. Beobachtung   Ergebnis Im leeren Raum (Vakuum) kann sich kein Schall ausbreiten.

Versuch Metallstab zwischen mechan. Uhr und Ohr Bei diesem Versuch wird zwischen der mechanischen Uhr und dem Ohr ein Metallstab angebracht. Beobachtung   Ergebnis Der Metallstab dient als Schallleitung. Zur Schallleitung sind Gase, feste Körper und Flüssigkeiten geeignet. Bsp.: Schwimmbad: Hören unter Wasser. Hören an Eisenbahnschienen.

Versuch Magnetrollenbahn Was kann man bei einer Magnetrollenbahn beobachten?   Beobachtung   Ergebnis Als Folge eines Stoßes wandert im Schallleiter eine Verdichtung nach rechts. Die Einzelteilchen bewegen sich dabei nur um kurze Strecken nach rechts. Verdünnungen wandern ebenfalls nach rechts. Die Einzelteile wandern dabei nach links.

Schallgeschwindigkeit

Aufgabe / Lösung Wie schnell breitet sich Schall aus? Beispiel: Ein Blitz schlägt in Baum (Abstand s ≈ 1,5 km) ein, nach Zeit t = 5 s hört man den Donner. Berechne die Schallgeschwindigkeit v. Die Geschwindigkeit gibt eine zurückgelegte Strecke pro Zeiteinheit an. Also: Man teilt die Strecke s durch die Zeit t und erhält die Strecke, die der Schall pro Sekunde zurücklegt. Formel: v = s/t Rechnung: v  ≈  1,5 km / 5 s  ≈  1500 m / 5 s  ≈  300 m/s

Versuch Genauere Methode mit Digitaluhr Beobachte die Schwingungen die Schallerreger verursachen.   Beobachtung Ergebnis Rechnung: v  =  s/t  =  1,5 m / 0,0044 s ≈ 340 m/s Die Schallgeschwindigkeit beträgt in Luft 340 m/s in Wasser 1480 m/s in Eisen 5800 m/s

Aufgabe / Lösung Ein Echo kehrt nach 3 Sekunden zurrück. Wie weit ist die Echowand entfernt? Gegeben: t = 3s; v = 340m/s Gesucht: s Es gilt: v = s/t Umgeformt: s = v • t Zahlen werden eingesetzt: s  =  340 m/s • 3 s =  1020 m 1020 m / 2  =  510m Antwort: Die Echowand ist 510 m entfernt.

Das Echo

Von Echo spricht man, wenn der reflektierte Schall erheblich später beim Hörer eintrifft als der direkte Schall: der Zeitunterschied beträgt mehrere Sekunden.

Nachhall

Trifft der reflektierte Schall beim Hörer schon ein, bevor die Silbe oder das Wort ganz ausgesprochen ist, nennt man dies Nachhall.

Schallbeugung

Der Schall breitet sich in der Luft nicht nur geradlinig aus.

Richtungshören

Wenn die beiden Ohren den Schall einer sich seitlich befindlichen Schallquelle nach
unterschiedlichen Laufzeiten empfangen, kann das Gehirn aus dem Laufzeitunterschied die Richtung der Schallquelle feststellen.