Schallgeschwindigkeit in Aluminium. Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Dopplereffekt in der Akustik

1,25. 3SCHALLWELLEN

Das Konzept einer Schallwelle. Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Physikalische Eigenschaften von Schall: Intensität, Spektrum, Tonhöhe, Lautstärke, Abklingen. Ultraschall und seine Anwendung. Doppler-Effekt. Stoßwellen.

Schallwellen.

Eine wichtige Art von Longitudinalwellen sind Schallwellen . Als solche bezeichnet man Wellen mit Frequenzen zwischen 17 und 20.000 Hz. Die Lehre vom Klang wird Akustik genannt. In der Akustik werden Wellen untersucht, die sich nicht nur in der Luft, sondern auch in jedem anderen Medium ausbreiten. Elastische Wellen mit einer Frequenz unter 17 Hz werden Infraschall und mit einer Frequenz über 20.000 Hz Ultraschall genannt.

Schallwellen sind elastische Schwingungen, die sich in Form eines Wellenprozesses in Gasen, Flüssigkeiten, Feststoffe .

Zu hoher Schalldruck. Schallwellengleichung.

Mit der elastischen Wellengleichung können Sie die Verschiebung eines beliebigen Punktes im Raum berechnen, durch den die Welle zu einem beliebigen Zeitpunkt verläuft. Aber wie können wir über die Verschiebung von Luft- oder Flüssigkeitspartikeln aus der Gleichgewichtslage sprechen? Schall, der sich in einer Flüssigkeit oder einem Gas ausbreitet, erzeugt Bereiche der Kompression und Verdünnung des Mediums, in denen der Druck im Vergleich zum Druck des ungestörten Mediums entsprechend zunimmt oder abnimmt.

Wenn es sich um den Druck und die Dichte des ungestörten Mediums (des Mediums, durch das die Welle nicht geht) handelt und um den Druck und die Dichte des Mediums, wenn sich der Wellenprozess darin ausbreitet, dann wird die Größe genannt Überdruck . Größe Es gibt einen maximalen Überdruckwert (Überdruckamplitude ).

Die Änderung des Überdrucks für eine ebene Schallwelle (d. h. die Gleichung für ebene Schallwellen) beträgt:

Dabei ist y der Abstand von der Schwingungsquelle des Punktes, an dem wir den Überdruck zum Zeitpunkt t bestimmen.

Wenn wir den Wert der Überschussdichte und ihre Amplitude auf die gleiche Weise einführen, wie wir den Wert des Überschussschalldrucks eingeführt haben, dann könnte die Gleichung einer ebenen Schallwelle wie folgt geschrieben werden:

. (30.2)

Schallgeschwindigkeit- Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen im Medium. In der Regel ist die Schallgeschwindigkeit in Gasen geringer als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten ist die Schallgeschwindigkeit geringer als in Festkörpern. Je größer die Dichte, desto größer die Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit in jedem Medium wird nach folgender Formel berechnet: wobei β die adiabatische Kompressibilität des Mediums ist; ρ die Dichte ist.

Objektive und subjektive Eigenschaften des Klangs.

Das Wort „Klang“ selbst spiegelt zwei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Konzepte wider: 1) Klang als physikalisches Phänomen; 2) Schall ist die Wahrnehmung, die das Hörgerät (das menschliche Ohr) erfährt, und die darin entstehenden Empfindungen. Dementsprechend werden Klangeigenschaften unterteilt in Zielsetzung , die mit physischen Geräten gemessen werden können, und MitZielsetzung , bestimmt durch die Wahrnehmung eines bestimmten Geräusches durch eine Person.

Zu den objektiven (physikalischen) Eigenschaften des Schalls gehören Eigenschaften, die jeden Wellenprozess beschreiben: Frequenz, Intensität und spektrale Zusammensetzung. Zu Tabelle1. Vergleichsdaten zu objektiven und subjektiven Merkmalen sind enthalten.

Tabelle 1.

Schallfrequenz gemessen an der Anzahl der Schwingungen der am Wellenprozess beteiligten Partikel des Mediums in 1 Sekunde.

Intensität Welle wird anhand der Energie gemessen, die von der Welle pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche (senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle) übertragen wird.

Spektrale Zusammensetzung (Spektrum) Schall gibt an, aus welchen Schwingungen ein bestimmter Schall besteht und wie sich die Amplituden auf seine einzelnen Bestandteile verteilen.

Unterscheiden kontinuierliche und Linienspektren . Um die Lautstärke subjektiv zu beurteilen, werden Größen genannt Schallintensitätspegel und Lautstärkepegel .

Tabelle 2 -Objektive Merkmale mechanische Wellenprozesse.

Zur Charakterisierung der Größen, die die Wahrnehmung von Schall bestimmen, kommt es nicht so sehr auf die absoluten Werte von Schallintensität und Schalldruck an, sondern vielmehr auf deren Verhältnis zu bestimmten Schwellenwerten. Daher wird das Konzept der relativen Intensität und des Schalldruckpegels eingeführt.

Damit eine Schallwelle vom Gehör wahrgenommen werden kann, muss ihre Intensität einen sogenannten Mindestwert überschreiten PHöhe der Hörbarkeit . Der Wert ist für verschiedene Frequenzen unterschiedlich. Bei der Frequenz liegt die Hörschwelle in der Größenordnung. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es bei jeder Frequenz eine Obergrenze der Schallintensität gibt, oberhalb derer ein Mensch Schmerzen verspürt. Die Menge wird aufgerufen Schmerzgrenze.

Intensitätsstufe (Schallintensitätspegel) ist gleich dem dezimalen Logarithmus des Verhältnisses der Schallintensität bei einer bestimmten Frequenz zur Schallintensität bei derselben Frequenz an der Hörschwelle:

.

Lautstärke - subjektive Wahrnehmung der Schallstärke (absoluter Wert der Hörempfindung). Die Lautstärke hängt hauptsächlich vom Schalldruck und der Frequenz der Schallschwingungen ab. Die Lautstärke eines Tons wird auch von seiner Klangfarbe, der Dauer der Einwirkung von Schallschwingungen und anderen Faktoren beeinflusst. Lautstärkepegel ist gleich dem dezimalen Logarithmus des Verhältnisses der Schallintensität bei einer bestimmten Frequenz zur Schallintensität bei einer Frequenz von 1000 Hz an der Hörschwelle:

.

Die Einheit der Intensitätsstufe ist Bel (B): . Ein Zehntel Weiß wird als Dezibel (dB) bezeichnet: 0,1B = 1dB. Die Formel zur Bestimmung der Intensitätsstufe in Dezibel sieht folgendermaßen aus:

.

Wenn wir die Formel für den Lautstärkepegel in das Formular schreiben , dann ist die SI-Maßeinheit mit dieser Mengendefinition eine Einheit namens von. Bei einer Frequenz von 1000 Hz sind die Hintergrund- und Dezibelskalen gleich, bei anderen Frequenzen sind sie unterschiedlich.

Schalldruckpegel ist gleich dem Produkt des 20-fachen Logarithmus des Verhältnisses des Schalldrucks bei einer bestimmten Frequenz zum Schalldruck an der Hörschwelle. Die Maßeinheit ist in diesem Fall Dezibel.

.

Ultraschall: Mechanische Wellen mit einer Schwingfrequenz größer als 20.000 Hz werden vom Menschen nicht als Schall wahrgenommen.

Ultraschall ist eine sich wellenartig ausbreitende Schwingungsbewegung von Teilchen eines Mediums und zeichnet sich durch eine Reihe von Merkmalen aus Unterscheidungsmerkmale im Vergleich zu Schwankungen im hörbaren Bereich. Im Ultraschallfrequenzbereich lässt sich relativ einfach eine gerichtete Strahlung erzielen; Ultraschallschwingungen lassen sich gut fokussieren, wodurch die Intensität der Ultraschallschwingungen in bestimmten Einflussbereichen zunimmt. Bei der Ausbreitung in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen erzeugt Ultraschall einzigartige Phänomene, von denen viele in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie praktische Anwendung gefunden haben. Seit Beginn der Forschung auf dem Gebiet der Ultraschallschwingungen sind etwas mehr als hundert Jahre vergangen. In dieser Zeit sind Dutzende hocheffizienter, ressourcenschonender und umweltfreundlicher Ultraschalltechnologien im Vermögen der Menschheit aufgetaucht. Dazu gehören: Technologien zum Härten, Verzinnen und Löten von Metallen, Verhindern der Zunderbildung auf Wärmeaustauschflächen, Bohren von spröden und besonders harten Materialien, Trocknen von thermolabilen Stoffen, Gewinnen tierischer und pflanzlicher Rohstoffe, Auflösen, Sterilisieren von flüssigen Stoffen, Feinsprühen von Medikamente, schwere Brennstoffe, Herstellung von Emulsionen und ultrafeinen Suspensionen, Dispergieren von Farbstoffen, Metallschweißen und Polymere, Waschen und Reinigen von Teilen ohne Verwendung brennbarer und giftiger Lösungsmittel.

In den letzten Jahren hat Ultraschall begonnen, eine immer wichtigere Rolle in der Industrie und der wissenschaftlichen Forschung zu spielen. Im Bereich der Ultraschallkavitation und der akustischen Strömungen wurden erfolgreich theoretische und experimentelle Studien durchgeführt, die die Entwicklung neuer technologischer Prozesse ermöglichten, die unter dem Einfluss von Ultraschall in der flüssigen Phase ablaufen. Derzeit entsteht eine neue Richtung der Chemie – die Ultraschallchemie, die es ermöglicht, viele chemisch-technologische Prozesse zu beschleunigen und neue Stoffe zu gewinnen. Die wissenschaftliche Forschung trug zur Entstehung eines neuen Zweigs der Akustik bei – der Molekularakustik, die die molekulare Wechselwirkung von Schallwellen mit Materie untersucht. Neue Anwendungsgebiete des Ultraschalls sind entstanden: Introskopie, Holographie, Quantenakustik, Ultraschallphasenmetrie, Akustoelektronik.

Neben theoretischen und experimentellen Forschungen auf dem Gebiet des Ultraschalls wurden zahlreiche praktische Arbeiten durchgeführt. Es wurden universelle und spezielle Ultraschallmaschinen, Anlagen mit erhöhtem statischen Druck, ultraschallmechanisierte Anlagen zur Reinigung von Teilen, Generatoren mit erhöhter Frequenz und einem neuen Kühlsystem sowie Konverter mit gleichmäßig verteiltem Feld entwickelt.

Ein Echolot ist ein Gerät zur Bestimmung der Meerestiefe. Mithilfe eines Ultraschallortungsgeräts wird die Entfernung zu einem Hindernis auf dem Weg ermittelt. Wenn Ultraschall eine Flüssigkeit durchdringt, erhalten die Flüssigkeitspartikel große Beschleunigungen und beeinflussen stark verschiedene in der Flüssigkeit befindliche Körper. Dies dient dazu, verschiedene technologische Prozesse zu beschleunigen (z. B. Lösungen vorbereiten, Teile waschen, Leder gerben usw.). Ultraschall wird zur Erkennung von Defekten an Metallteilen eingesetzt. In der Medizin werden Ultraschalluntersuchungen innerer Organe durchgeführt.

Doppler-Effekt wird als Änderung der vom Empfänger wahrgenommenen Schwingungsfrequenz bezeichnet, wenn sich die Quelle dieser Schwingungen und der Empfänger relativ zueinander bewegen.

Um den Doppler-Effekt zu berücksichtigen, gehen Sie davon aus, dass sich Schallquelle und Empfänger entlang der geraden Linie bewegen, die sie verbindet. v ich stehe v pr – jeweils die Bewegungsgeschwindigkeit der Quelle und des Empfängers, und sie sind positiv, wenn sich die Quelle (Empfänger) dem Empfänger (Quelle) nähert, und negativ, wenn sie sich wegbewegt. Die Schwingungsfrequenz der Quelle beträgt v 0 .

1. Quelle und Empfänger ruhen relativ zum Medium, d.h. v ist = v pr =0. Wenn v - die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle im betrachteten Medium, dann die Wellenlänge l= vT= v/ v 0 . Die Welle breitet sich im Medium aus, erreicht den Empfänger und bringt dessen schallempfindliches Element dazu, mit einer Frequenz zu schwingen

Daher die Frequenz v Der Ton, den der Empfänger registriert, entspricht der Frequenz v 0, bei dem die Schallwelle von der Quelle ausgesendet wird.

2. Der Empfänger nähert sich der Quelle und die Quelle ruht. d.h. v pr >0, v ist =0. IN in diesem Fall Die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung relativ zum Empfänger wird gleich v + v usw. Da sich die Wellenlänge also nicht ändert

(30.4)

d. h. die vom Empfänger wahrgenommene Schwingungsfrequenz in ( v+ v usw) / v mal der Schwingungsfrequenz der Quelle.

3. Die Quelle nähert sich dem Nachfolger und der Empfänger ruht. d.h. v ist >0, v pr =0.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schwingungen hängt nur von den Eigenschaften des Mediums ab. Daher legt die von ihr ausgesendete Welle in einer Zeit, die der Schwingungsperiode der Quelle entspricht, eine Strecke in Richtung des Empfängers zurück vT(gleich der Wellenlänge l), unabhängig davon, ob sich die Quelle bewegt oder ruht. Gleichzeitig legt die Quelle eine Strecke in Richtung der Welle zurück v ist T(Abb. 224), d. h. die Wellenlänge in Bewegungsrichtung wird kürzer und gleich l"=l-v ist T=(v-v ist) T, Dann

(30.5)

d.h. Frequenz N Die vom Empfänger wahrgenommenen Vibrationen nehmen um zu v/(v – v ist) Zeiten. In den Fällen 2 und 3, wenn v ist<0 и v usw<0, знак будет обратным.

4. Quelle und Empfänger bewegen sich relativ zueinander. Anhand der für die Fälle 2 und 3 erhaltenen Ergebnisse können wir einen Ausdruck für die vom Empfänger wahrgenommene Schwingungsfrequenz schreiben:

(30.6)

Darüber hinaus wird das obere Vorzeichen verwendet, wenn sich die Quelle oder der Empfänger bei der Bewegung einander nähern, das untere Vorzeichen, wenn sie sich voneinander entfernen.

Aus den obigen Formeln folgt, dass der Doppler-Effekt unterschiedlich ist, je nachdem, ob sich die Quelle oder der Empfänger bewegt. Wenn die Geschwindigkeit Richtungen v bei v Wenn sie nicht mit der Geraden durch Quelle und Empfänger zusammenfallen, müssen wir anstelle dieser Geschwindigkeiten in Formel (30.6) ihre Projektionen auf die Richtung dieser Geraden nehmen.

Stoßwelle: Bruchfläche, die sich relativ zu Gas/Flüssigkeit/Feststoffen bewegt und bei deren Schnittpunkt Druck, Dichte,

Temperatur und Geschwindigkeit erleben einen Sprung.

Stoßwellen treten bei Explosionen, Detonationen, bei Überschallbewegungen von Körpern und bei starken elektrischen Wellen auf. Entladungen usw. Beispielsweise entstehen bei einer explosionsartigen Explosion stark erhitzte Explosionsprodukte, die eine hohe Dichte aufweisen und unter hohem Druck stehen. Im ersten Moment sind sie von ruhender Luft normaler Dichte und Atmosphärendruck umgeben. Die expandierenden Produkte der Explosion komprimieren die umgebende Luft, und zu jedem Zeitpunkt wird nur die Luft komprimiert, die sich in einem bestimmten Volumen befindet; Außerhalb dieses Volumens bleibt die Luft in einem ungestörten Zustand. Mit der Zeit nimmt die Druckluftmenge zu. Die Oberfläche, die die komprimierte Luft von der ungestörten Luft trennt, stellt die Vorderseite der Stoßwelle dar. In einer Reihe von Fällen der Überschallbewegung von Körpern in Gas (Artilleriegeschosse, Landungen von Raumfahrzeugen) stimmt die Richtung der Gasbewegung nicht mit der Normalen zur Oberfläche der Stoßwellenfront überein, und es entstehen schräge Stoßwellen .

Ein Beispiel für die Entstehung und Ausbreitung einer Stoßwelle ist die Kompression von Gas in einem Rohr durch einen Kolben. Bewegt sich der Kolben langsam in das Gas hinein, dann mit Schallgeschwindigkeit durch das Gas A Akustische Läufe (elastische) Kompressionswelle. Ist die Geschwindigkeit des Kolbens nicht klein gegenüber der Schallgeschwindigkeit, entsteht eine Stoßwelle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit durch das ungestörte Gas größer ist als die Bewegungsgeschwindigkeit von Gasteilchen (die sogenannte Massengeschwindigkeit), was mit der Geschwindigkeit des Kolbens übereinstimmt. Aufgrund der Gaskompression sind die Abstände zwischen den Teilchen in einer Stoßwelle kleiner als in einem ungestörten Gas. Wird der Kolben zunächst mit geringer Geschwindigkeit ins Gas gedrückt und dann allmählich beschleunigt, entsteht nicht sofort eine Stoßwelle. Zunächst erscheint eine Kompressionswelle mit kontinuierlichen Verteilungen der Dichte r und des Drucks R. Mit der Zeit nimmt die Steilheit des vorderen Teils der Kompressionswelle zu, da Störungen durch den sich beschleunigend bewegenden Kolben ihn einholen und verstärken, was zu einem starken Sprung in der gesamten hydrodynamischen Dynamik führt. Mengen, d.h. Stoßwelle

Stoßwelle in echten Gasen. In einem realen Gas kommt es bei hohen Temperaturen zur Anregung molekularer Schwingungen, zur Dissoziation von Molekülen, zu chemischen Reaktionen, zur Ionisation usw., was mit einem Energieaufwand und einer Änderung der Teilchenzahl verbunden ist. In diesem Fall hängt die innere Energie e in komplexer Weise davon ab P Und ρ und Gasparameter hinter der Front.

Um die Energie eines in einer starken Stoßwelle komprimierten und erhitzten Gases über verschiedene Freiheitsgrade umzuverteilen, sind normalerweise viele Kollisionen von Molekülen erforderlich. Daher ist die Breite der Dx-Schicht, in der der Übergang vom anfänglichen zum endgültigen thermodynamischen Gleichgewichtszustand stattfindet, d. h. die Breite der Stoßwellenfront, in realen Gasen normalerweise viel größer als die Breite des viskosen Stoßes und wird bestimmt zum Zeitpunkt Entspannung der langsamste der Prozesse: Anregung von Schwingungen, Dissoziation, Ionisation usw. Verteilungen

Reis. 25.1 Verteilung von Temperatur (a) und Dichte (b) in einer sich in einem realen Gas ausbreitenden Stoßwelle .

Die Temperaturen und Dichten in der Stoßwelle haben dann die in Abb. 25.1, wo die viskose Stoßwelle als Explosion dargestellt ist.

Stoßwelle in Festkörpern. Energie und Druck in Festkörpern haben einen doppelten Charakter: Sie sind mit thermischer Bewegung und mit der Wechselwirkung von Partikeln (thermische und elastische Komponenten) verbunden. Die Theorie der interpartikulären Kräfte kann keine allgemeine Abhängigkeit der elastischen Komponenten von Druck und Energie von der Dichte in einem weiten Bereich für verschiedene Substanzen liefern, und daher ist es theoretisch unmöglich, eine Funktion zu konstruieren, die sich auf ( P,ρ) vor und hinter der Stoßwellenfront. Daher werden Berechnungen für feste (und flüssige) Körper aus Erfahrung oder semiempirisch ermittelt. Für eine signifikante Verdichtung von Feststoffen sind Drücke von Millionen Atmosphären nötig, die mittlerweile in experimentellen Studien erreicht werden. In der Praxis sind schwache Stoßwellen mit Drücken von 10 4 -10 5 atm von großer Bedeutung. Dies sind Drücke, die bei Detonationen, Explosionen im Wasser, Einwirkungen von Explosionsprodukten auf Hindernisse usw. entstehen. Bei einer Reihe von Stoffen – Eisen, Wismut und anderen – kommt es in der Stoßwelle zu Phasenübergängen – polymorphen Umwandlungen. Bei niedrigen Drücken in Feststoffen elastische Wellen , deren Ausbreitung, ebenso wie die Ausbreitung schwacher Kompressionswellen in Gasen, auf der Grundlage der Gesetze der Akustik betrachtet werden kann.

Wir wissen, dass sich Schall durch die Luft ausbreitet. Deshalb können wir hören. Im Vakuum können keine Geräusche existieren. Aber wenn Schall durch die Luft übertragen wird, aufgrund der Wechselwirkung ihrer Partikel, wird er dann nicht auch von anderen Substanzen übertragen? Wille.

Ausbreitung und Geschwindigkeit des Schalls in verschiedenen Medien

Schall wird nicht nur über die Luft übertragen. Wahrscheinlich weiß jeder, dass man Gespräche im Nebenzimmer hören kann, wenn man sein Ohr an die Wand hält. In diesem Fall erfolgt die Schallübertragung über die Wand. Schall breitet sich im Wasser und anderen Medien aus. Darüber hinaus ist die Schallausbreitung in verschiedene Umgebungen geschieht auf unterschiedliche Weise. Die Schallgeschwindigkeit variiert je nach Substanz.

Es ist merkwürdig, dass die Schallgeschwindigkeit im Wasser fast viermal höher ist als in der Luft. Das heißt, Fische hören „schneller“ als wir. In Metallen und Glas breitet sich Schall noch schneller aus. Dies liegt daran, dass Schall eine Schwingung eines Mediums ist und sich Schallwellen in besser leitenden Medien schneller ausbreiten.

Die Dichte und Leitfähigkeit von Wasser ist größer als die von Luft, aber geringer als die von Metall. Dementsprechend wird Schall anders übertragen. Beim Übergang von einem Medium zum anderen ändert sich die Schallgeschwindigkeit.

Auch die Länge der Schallwelle ändert sich beim Übergang von einem Medium zum anderen. Lediglich die Frequenz bleibt gleich. Aber gerade deshalb können wir auch durch Wände hindurch erkennen, wer genau spricht.

Da es sich bei Schall um Schwingungen handelt, sind alle Gesetze und Formeln für Schwingungen und Wellen gut auf Schallschwingungen anwendbar. Bei der Berechnung der Schallgeschwindigkeit in Luft ist außerdem zu berücksichtigen, dass diese Geschwindigkeit von der Lufttemperatur abhängt. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der Schallausbreitung zu. Unter normalen Bedingungen beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 340.344 m/s.

Schallwellen

Schallwellen breiten sich, wie aus der Physik bekannt ist, in elastischen Medien aus. Deshalb werden Geräusche von der Erde gut übertragen. Wenn Sie Ihr Ohr auf den Boden legen, können Sie das Geräusch von Schritten, klappernden Hufen usw. schon aus der Ferne hören.

Als Kind hat es wahrscheinlich jedem Spaß gemacht, sein Ohr an die Schienen zu legen. Das Geräusch der Eisenbahnräder wird über mehrere Kilometer entlang der Schienen übertragen. Um den umgekehrten Schallabsorptionseffekt zu erzeugen, werden weiche und poröse Materialien verwendet.

Um beispielsweise einen Raum vor Fremdgeräuschen zu schützen oder umgekehrt zu verhindern, dass Geräusche aus dem Raum nach außen dringen, wird der Raum behandelt und schallisoliert. Wände, Boden und Decke sind mit speziellen Materialien auf Basis geschäumter Polymere verkleidet. In einer solchen Polsterung verklingen alle Geräusche sehr schnell.

Schallgeschwindigkeit- die Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen in einem Medium: sowohl in Längsrichtung (in Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen) als auch in Querrichtung (in Feststoffen). Sie wird durch die Elastizität und Dichte des Mediums bestimmt: In Gasen ist die Schallgeschwindigkeit in der Regel geringer als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten geringer als in Festkörpern. Außerdem hängt die Schallgeschwindigkeit in Gasen von der Temperatur einer bestimmten Substanz ab, in Einkristallen von der Richtung der Wellenausbreitung. Hängt normalerweise nicht von der Frequenz der Welle und ihrer Amplitude ab; In Fällen, in denen die Schallgeschwindigkeit von der Frequenz abhängt, spricht man von Schallausbreitung.

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  Bereits bei antiken Autoren gibt es Hinweise darauf, dass Schall durch die oszillierende Bewegung des Körpers entsteht (Ptolemäus, Euklid). Aristoteles stellt fest, dass die Schallgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat, und stellt sich die Natur des Schalls richtig vor. Versuche, die Schallgeschwindigkeit experimentell zu bestimmen, reichen bis in die erste Hälfte des 17. Jahrhunderts zurück. F. Bacon wies im New Organon auf die Möglichkeit hin, die Schallgeschwindigkeit durch den Vergleich der Zeitintervalle zwischen einem Lichtblitz und dem Geräusch eines Schusses zu bestimmen. Mit dieser Methode bestimmten verschiedene Forscher (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, eine Gruppe von Wissenschaftlern der Pariser Akademie der Wissenschaften – D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) den Wert der Schallgeschwindigkeit (je nach Versuchsbedingungen 350-390 m/s). Theoretisch wurde die Frage der Schallgeschwindigkeit erstmals von I. Newton in seinen „Prinzipien“ behandelt. Tatsächlich ging Newton davon aus, dass die Schallausbreitung isotherm sei, und erhielt daher eine Unterschätzung. Der korrekte theoretische Wert für die Schallgeschwindigkeit wurde von Laplace ermittelt.

  Berechnung der Geschwindigkeit in Flüssigkeit und Gas

  Die Schallgeschwindigkeit in einer homogenen Flüssigkeit (oder einem Gas) wird nach folgender Formel berechnet:

  c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))

  Bei partiellen Ableitungen:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ partielles p)(\partial v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (Cp)(Cv))\left((\frac (\partial p) (\partial v))\right)_(T))))

  Wo β (\displaystyle \beta)- adiabatische Kompressibilität des Mediums; ρ (\displaystyle \rho)- Dichte; C p (\displaystyle Cp)- isobare Wärmekapazität; C v (\displaystyle Cv)- isochore Wärmekapazität; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- Druck, spezifisches Volumen und Temperatur des Mediums; s (\displaystyle s)- Entropie des Mediums.

  Bei Lösungen und anderen komplexen physikalischen und chemischen Systemen (z. B. Erdgas, Öl) können diese Ausdrücke einen sehr großen Fehler ergeben.

  Feststoffe

  Bei Vorhandensein von Grenzflächen kann elastische Energie durch Oberflächenwellen unterschiedlicher Art übertragen werden, deren Geschwindigkeit sich von der Geschwindigkeit von Longitudinal- und Transversalwellen unterscheidet. Die Energie dieser Schwingungen kann um ein Vielfaches größer sein als die Energie von Körperwellen.

  Für die Schallausbreitung ist ein elastisches Medium erforderlich. Im Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da dort nichts vibrieren kann. Dies kann durch einfache Erfahrung bestätigt werden. Wenn Sie eine elektrische Glocke unter einer Glasglocke platzieren, wird der Ton der Glocke immer schwächer, wenn die Luft unter der Glocke herausgepumpt wird, bis er ganz aufhört.

  Es ist bekannt, dass wir bei einem Gewitter einen Blitz sehen und erst nach einer Weile das Grollen des Donners hören. Diese Verzögerung entsteht, weil die Schallgeschwindigkeit in der Luft viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit eines Blitzes.

  Die Schallgeschwindigkeit in Luft wurde erstmals 1636 vom französischen Wissenschaftler M. Mersenne gemessen. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt sie 343 m/s, also 1235 km/h. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Sturmgewehr abgefeuerten Kugel in einer Entfernung von 800 m auf diesen Wert abnimmt. Startgeschwindigkeit Geschosse erreichen eine Geschwindigkeit von 825 m/s, was die Schallgeschwindigkeit in der Luft deutlich übertrifft. Wer also das Geräusch eines Schusses oder das Pfeifen einer Kugel hört, muss sich keine Sorgen machen: Diese Kugel ist bereits an ihm vorbeigegangen. Die Kugel läuft schneller als der Schuss und erreicht ihr Opfer, bevor der Schall eintrifft.

  Die Schallgeschwindigkeit in Gasen hängt von der Temperatur des Mediums ab: Mit steigender Lufttemperatur nimmt sie zu, mit sinkender Temperatur ab. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 332 m/s.

  In verschiedenen Gasen breitet sich Schall mit aus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, desto geringer ist die Schallgeschwindigkeit darin. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff 1284 m/s, in Helium 965 m/s und in Sauerstoff 316 m/s.

  Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten beträgt normalerweise mehr Geschwindigkeit Schall in Gasen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser wurde erstmals 1826 von J. Colladon und J. Sturm gemessen. Ihre Experimente führten sie am Genfersee in der Schweiz durch. Auf einem Boot zündeten sie Schießpulver an und schlugen gleichzeitig auf eine ins Wasser gesenkte Glocke ein. Der Klang dieser ins Wasser gesenkten Glocke wurde von einem anderen Boot aufgenommen, das sich 14 km vom ersten entfernt befand. Anhand des Zeitintervalls zwischen dem Aufblitzen des Lichtsignals und dem Eintreffen des Tonsignals wurde die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt. Bei einer Temperatur von 8°C betrug sie 1440 m/s.

  Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern größer als in Flüssigkeiten und Gasen. Wenn Sie Ihr Ohr an die Schiene halten, sind nach dem Auftreffen auf das andere Ende der Schiene zwei Geräusche zu hören. Einer von ihnen erreicht das Ohr per Bahn, der andere auf dem Luftweg.

  Die Erde hat eine gute Schallleitfähigkeit. Daher wurden früher während einer Belagerung „Zuhörer“ in den Festungsmauern angebracht, die anhand des von der Erde übertragenen Geräusches feststellen konnten, ob sich der Feind in die Mauern grub oder nicht. Sie legten ihre Ohren auf den Boden und beobachteten auch die Annäherung feindlicher Kavallerie.

  Feststoffe leiten Schall gut. Dadurch können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, manchmal zu Musik tanzen, die die Hörnerven nicht über die Luft und das Außenohr, sondern über den Boden und die Knochen erreicht.

  Die Schallgeschwindigkeit kann durch Kenntnis der Wellenlänge und Frequenz (oder Periode) der Schwingung bestimmt werden.

  >>Physik: Schall in verschiedenen Umgebungen

  Für die Schallausbreitung ist ein elastisches Medium erforderlich. Im Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da dort nichts vibrieren kann. Dies kann durch einfache Erfahrung bestätigt werden. Wenn wir eine elektrische Glocke unter eine Glasglocke stellen, werden wir beim Herauspumpen der Luft unter der Glocke feststellen, dass der Klang der Glocke immer schwächer wird, bis er ganz aufhört.
  

  Schall in Gasen. Es ist bekannt, dass wir bei einem Gewitter zunächst einen Blitz sehen und erst nach einiger Zeit das Donnergrollen hören (Abb. 52). Diese Verzögerung entsteht, weil die Schallgeschwindigkeit in der Luft viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit eines Blitzes.

  Die Schallgeschwindigkeit in Luft wurde erstmals 1636 vom französischen Wissenschaftler M. Mersenne gemessen. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt sie 343 m/s, also 1235 km/h. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Maschinengewehr (PK) abgefeuerten Kugel auf diesen Wert in einer Entfernung von 800 m abnimmt. Die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses beträgt 825 m/s und liegt damit deutlich über der Schallgeschwindigkeit in Luft. Wer also das Geräusch eines Schusses oder das Pfeifen einer Kugel hört, muss sich keine Sorgen machen: Diese Kugel ist bereits an ihm vorbeigegangen. Die Kugel läuft schneller als der Schuss und erreicht ihr Opfer, bevor der Schall eintrifft.
  

  Die Schallgeschwindigkeit hängt von der Temperatur des Mediums ab: Mit steigender Lufttemperatur steigt sie, mit sinkender Lufttemperatur nimmt sie ab. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 331 m/s.
  

  Schall breitet sich in verschiedenen Gasen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, desto geringer ist die Schallgeschwindigkeit darin. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff 1284 m/s, in Helium 965 m/s und in Sauerstoff 316 m/s.
  

  Schall in Flüssigkeiten. Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten ist normalerweise größer als die Schallgeschwindigkeit in Gasen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser wurde erstmals 1826 von J. Colladon und J. Sturm gemessen. Ihre Experimente führten sie am Genfersee in der Schweiz durch (Abb. 53). Auf einem Boot zündeten sie Schießpulver an und schlugen gleichzeitig auf eine ins Wasser gesenkte Glocke ein. Der Klang dieser Glocke wurde mithilfe eines speziellen Horns, das ebenfalls ins Wasser gesenkt wurde, auf einem anderen Boot eingefangen, das sich 14 km vom ersten entfernt befand. Anhand des Zeitintervalls zwischen dem Lichtblitz und dem Eintreffen des Schallsignals wurde die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt. Bei einer Temperatur von 8 °C betrug sie etwa 1440 m/s.
  
  
  

  An der Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Medien wird ein Teil der Schallwelle reflektiert, ein Teil breitet sich weiter aus. Wenn Schall von der Luft ins Wasser gelangt, werden 99,9 % der Schallenergie zurückreflektiert, aber der Druck der ins Wasser übertragenen Schallwelle ist fast doppelt so groß. Das Gehörsystem der Fische reagiert genau darauf. Daher sind beispielsweise Schreie und Geräusche über der Wasseroberfläche zu hören der richtige Weg davon jagen Meeresbewohner. Eine Person, die sich unter Wasser befindet, wird von diesen Schreien nicht betäubt: Beim Eintauchen ins Wasser bleiben Luftstöpsel in ihren Ohren, die sie vor einer Schallüberlastung bewahren.
  

  Beim Übergang von Schall vom Wasser in die Luft werden 99,9 % der Energie wieder reflektiert. Wenn jedoch beim Übergang von Luft zu Wasser der Schalldruck zunahm, nimmt er jetzt im Gegenteil stark ab. Aus diesem Grund erreicht beispielsweise das Geräusch, das unter Wasser entsteht, wenn ein Stein auf einen anderen trifft, einen Menschen in der Luft nicht.
  

  Dieses Schallverhalten an der Grenze zwischen Wasser und Luft gab unseren Vorfahren die Grundlage, die Unterwasserwelt als „Welt der Stille“ zu betrachten. Daher der Ausdruck: „Stumm wie ein Fisch.“ Allerdings schlug Leonardo da Vinci auch vor, Unterwassergeräusche zu hören, indem man sein Ohr an ein ins Wasser gesenktes Ruder legte. Mit dieser Methode können Sie sicherstellen, dass die Fische tatsächlich recht gesprächig sind.
  

  Klang in Festkörpern. Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern größer als in Flüssigkeiten und Gasen. Wenn Sie Ihr Ohr an die Schiene halten, hören Sie nach dem Auftreffen auf das andere Ende der Schiene zwei Geräusche. Einer davon erreicht Ihr Ohr per Bahn, der andere per Flugzeug.
  

  Die Erde hat eine gute Schallleitfähigkeit. Daher wurden früher während einer Belagerung „Zuhörer“ in den Festungsmauern angebracht, die anhand des von der Erde übertragenen Geräusches feststellen konnten, ob sich der Feind in die Mauern grub oder nicht. Sie legten ihre Ohren auf den Boden und beobachteten auch die Annäherung feindlicher Kavallerie.
  

  Feststoffe leiten Schall gut. Dadurch können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, manchmal zu Musik tanzen, die ihre Hörnerven nicht über die Luft und das Außenohr, sondern über den Boden und die Knochen erreicht.

  1. Warum sehen wir bei einem Gewitter zuerst einen Blitz und hören dann erst den Donner? 2. Wovon hängt die Schallgeschwindigkeit in Gasen ab? 3. Warum hört eine Person, die am Flussufer steht, keine Geräusche, die unter Wasser entstehen? 4. Warum waren die „Hörer“, die in der Antike die Ausgrabungsarbeiten des Feindes überwachten, oft Blinde?

  Experimentelle Aufgabe . Legen Sie ein Brett (oder ein langes Holzlineal) an ein Ende Armbanduhr, legen Sie Ihr Ohr an das andere Ende. Was hörst du? Erklären Sie das Phänomen.

  S.V. Gromov, N.A. Rodina, Physik 8. Klasse

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