Physikalische und Technische Akustik

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1 Physikalische und Technische Akustik Eine Einführung mit zahlreichen Versuchsbeschreibungen Dr. phil. Dr.-Ing. E. h. Erwin Meyer Ordentlicher Professor an der Universität Göttingen Dr. rer. nat. Ernst-Georg Neumann Privatdozent und Wissenschaftlicher Assistent an der Universität Göttingen Mit 249 Bildern 17WM FRIEDR. VIEWEG & SOHN BRAUNSCHWEIG

2 Inhaltsverzeichnis 1. Theorie der Schallfelder Schall in Flüssigkeiten und Gasen Die drei Grundgleichungen Ebene Wellen Der Wellenwiderstand Kugelwellen Schall in porösen Stoffen Schall in festen Körpern Dichte- und Schubwellen im unendlich ausgedehnten Festkörper Dehn-, Torsions- und Biegewellen im begrenzten Festkörper Rayleighwellen an der Oberfläche von Festkörpern Leitungstheorie Die Leitungsgleichungen Stehende Wellen in einem schallhart abgeschlossenen Rohr Stehende Wellen in einem offenen Rohr Reflexion an einer Wand endlicher Impedanz Versuche zu den stehenden Wellen und zur Reflexion Resonanz einer akustischen Rohrleitung Schalldurchgang durch Wände Das Massegesetz Der Spuranpassungseffekt (Koinzidenzeffekt) Die Doppelwand Versuche zur Schalldämmung Schallbeugung und Schallstreuung 2. Raumakustik 2.1. Wellentheoretische Raumakustik Eigenschwingungen und Resonanzfrequenzen eines Quaderraumes Kundtsches Rohr und Flachraum Flachtank und Hohlleiter 2.2. Statistische Raumakustik Der Nachhall Die optimale Nachhallzeit eines Raumes Messung des Schallabsorptionsgrades Stationäre Energiedichte Schallabsorber Diffuse Schallreflexion 2.3. Geometrische Raumakustik Schallrückwürfe von den Raumwänden Das Flatterecho Dämpfung von Schall 3.1. Schallabsorption in Gasen Klassische Absorption durch innere Reibung und Wärmeleitung 86

3 Molekulare Schallabsorption Weitere Absorptionsursachen in Gasen Schallabsorption in Flüssigkeiten Molekulare Absorption Absorption durch Gasblasen Schallabsorption an Wänden Die Zähigkeitsgrenzschicht Demonstration der Teilchenbewegung in der Nähe einer Wand Schalldämpfung in Rohren Nichtlineare Effekte 4.1. Der Rayleighsche Schallstrahlungsdruck v Der Langevinsche Schallstrahlungsdruck Das Schallradiometer Der Ultraschallsprudel Strahlungskraft von Saitenwellen Kavitation Der Quarzwind Stoßwellen Schallabstrahlung und Schallempfang 5.1. Kolbenstrahler in einem Rohr Kugelstrahler Strahlungswiderstand und mitschwingende Mediummasse Die Knallwelle Schwingungen einer Luftblase in Wasser Schwingungen eines Hohlraumes in Gummi Schwingungen eines Tropfens Kolbenstrahler in einer unendlich großen Wand Trichterstrahler Theorie des Trichters Die Druckkammer Richtwirkung von elementaren Schallstrahlern Richtwirkung von Strahlergruppen Die lineare Strahlergruppe Elektrische Schwenkung der Richtcharakteristik Unterdrücken von Nebenmaxima und Auffüllen von Nullstellen des Richtdiagrammes Die Dipolzeile als elektromagnetisches Analogen der Lautsprecherzeile Das Schallfeld der kreisförmigen Kolbenmembran Der Schalldruck auf der Mittelsenkrechten der kreisförmigen Kolbenmembran Das Nahfeld der kreisförmigen Kolbenmembran Das Fernfeld der kreisförmigen Kolbenmembran Vergleich der Peilschärfen verschiedener Richtstrahler 156

4 5.9. Schallabstrahlung von Biegewellen auf Platten Richtmikrofone Das Röhrenmikrofon Das Rohrschlitzmikrofon Die Langdrahtantenne als elektromagnetisches Analogon der Rohrmikrofone Das akustische Analogon der Yagi-Antenne Parabolspiegel als Richtmikrofon (Richtsender) Sammellinse für Luftschall Analoge Sammellinse für Mikrowellen Schallbeugung 170 (im Zusammenhang mit Schallabstrahlung und Schallempfang) Beugung an einer Kreisscheibe Beugung an einer Kreisblende Praktisch wichtige Beugungserscheinungen Das Schottkysche Tiefenempfangsgesetz Die Absorptionsfläche eines Resonanzempfängers Akustische Meßtechnik 6.1. Die Rayleighscheibe Das Wiensche Membranmanometer Zwei einfache Verfahren zur Bestimmung von kleinen Schwingungsamplituden Eichung eines Kondensator-Mikrofons durch eine elektrostatische Ersatzkraft Eichung in einer Druckkammer Reziprozitätseichung Druck- und Feldeichung Untersuchung von Schall mit Licht Debye-Sears-Effekt Brillouin-Streuung Akustische Meßräume Messung von Körperschall Physiologische und Psychologische Akustik 7.1. Das Gehör Anatomischer Aufbau des menschlichen Ohres Funktionsweise des Gehörs Frequenzbereich und Empfindlichkeit des Gehörs Lautstärke Unterschiedsschwellen des Gehörs Psycho-akustische Effekte Residuum Verdeckung Die Nichtlinearität des Gehörs 222

5 Zweiohriges Hören Die Sprache Vokale und Konsonanten Sichtbare Sprache Künstliche Sprache Voder Vocoder Elektrische Nachbildung des Stimmkanals Schalleistung, Frequenzbereich und Verständlichkeit von Sprache Elektroakustische Wandler 8.1. Kohlemikrofon Wirkungsweise des Kohlemikrofons Klanganalyse mit Hilfe des Kohlemikrofons Verbesserte Kohlemikrofone 8.2. Elektrostatische Wandler Elektrostatische Mikrofone Elektrostatische Schallstrahler 8.3. Dynamische Wandler Dynamische Mikrofone Dynamische Lautsprecher Dynamische Wandler für Wasserschall 8.4. Elektromagnetische Wandler 8.5. Thermische Schallquellen und Empfänger 8.6. Piezoelektrische Wandler Piezoelektrischer Effekt Quarz Piezoelektrische Oberflächenanregung und -abtastung Weitere piezoelektrische Substanzen Wanderwellenverstärker für Ultraschall 8.7. Magnetostriktive Wandler Der magnetostriktive Effekt Nickelschwinger Echolot Bohren und Schweißen mit Ultraschall Schallaufzeichnung 9.1. Schallplatte (Nadelton) Aufzeichnung Messung der aufgezeichneten Schnelle Tonabnehmer 9.2. Tonfilm (Lichtton) Schriftarten Spaltbreite und obere Frequenzgrenze Goldbergbedingung für fotografische Registrierung

6 Lichtelektrische Empfänger Magnetton Aufzeichnungsverfahren Löschung im Hochfrequenzfeld und Aufsprechen mit Gleichfeld-Vormagnetisierung Löschung im Gleichfeld und Aufsprechen mit Gleichfeld-Vormagnetisierung Löschung im Hochfrequenzfeld und Aufsprechen mit Hochfrequenz-Vormagnetisierung Frequenzgang, Kopiereffekt und Einfluß äußerer Magnetfelder Anwendungen des Magnettonverfahrens 320