EINFOHRUNG IN DIE AKUSTIK

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1 EINFOHRUNG IN DIE AKUSTIK

2 EINFUHRUNG IN DIE AKUSTIK VON FERDINAND TRENDELENBURG DR. PHIL. HONORARPROFESSOR AN DER UNIVERSITAT FREIBURG I. BR. UND AN DER TECHNISCHEN HOCHSCHULE MUNCHE N DRITTE UMGEARBEITETE AUFLAGE MIT 412 ABBILDUNGEN SPRINGER-VERLAG BERLIN GOTTINGEN HEIDELBERG 1961

3 ISBN ISBN (ebook) DOl / ALle Rechte, insbesondere das der Dbersetzung in fremde Spraehen, vnrhchalten Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es aueh nieht gestatt.et, dieses Bnell oder Teile daraus auf photomeehanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfiiltigen Copyright 1939 and 1950 by Springer-Verlag OHG / Berlin G5ttingen' Heidelberg by Springer-Verlag OHG / Berlin G5ttingen' Heidelberg )961 Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1961 Die Wiedergabe von Gebrauchsnanlen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in die,;cm Bllche bereehtigt anch ohne besondere Kennzeiehnung nieht zn der Annahme, dab solehe Namen im Sinne der Warenzeiehen- und Markensehutz-Gesetzgebnng al~ frei zu betraehten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften

4 FRAU AENNE TRENDELENBURG GEB. BRKHLER ZUGEEIGNET

5 Vorwort zur dritten Auflag'e Die groben Fortschritte, welche im letzten J ahrzehnt in der Akustik erzielt wurden, bedingten eine weitgehende Neubearbeitung der "Einfiihrung in die Akustik". Der Umfang der Neugestaltung labt sich anschaulich daran erkennen, dab die nunmehr vorliegende 3. Auflage 132 neue Abbildungen enthalt. Die Zahl der seit Erscheinen der 2. Auflage veroffentlichten Arbeiten iibersteigt weit diejenige der zwischen der 1. und 2. Auflage erfolgten Veroffentlichungen. Der Verfasser hofft, dab es ihm trotz del' iiberwaltigenden Zahl neuerschienener Veroffentlichungen gelungen ist, die wichtigen einschlagigen Arbeiten des Inund Auslandes zu erfassen. In del' Neuauflage wird das MKS-System benutzt; lediglich an Stellen, an denen dies aus besonderen Griinden zweckmabig erschien, ist neben dem MKS-System auch das CGS-System beibehalten worden. Die Umstellung auf das MKS-System wurde von Herrn Dr. G. SESSLER, Gottingen, vorgenommen. Herr SESSLER sah weiterhin das Manuskript der neuen Auflage durch und beteiligte sich intensiv an del' Neubearbeitung insbesondere del' Ziffern 26, 27, 28, 30, 31 und 32. Der Verfasser ist Herrn SESSLER fiir seine Hilfe zu grobem Dank verpflichtet. Weiterhin mochte del' Verfasser noch den Herren Prof. E. LEROHE, Prof. E. LUBOKE, Prof. E. SOHUTZ, Prof. F. SPANDOOK, Prof. E. THIENHAUS und Dr.-Ing. W. WILLMS liir wertvolle Ratschlage danken. Besonderen Dank schuldet del' Verfasser Frau E. ALBREOHT fiir uuermiidliche Hilfe bei Erfassung und Sichtung des akustischen Schrifttums. Dem Springer-Verlag dankt del' Verfasser fiir seine ihm auch bei Herausgabe der 3. Auflage wieder gewahrte grobe Hilfe. Erlangen, im Oktober 1960 }'erdinand 'frendelenburg Hingewiesen sei noch auf folgende inzwischen erschienene oder neu aufgelegte Bilcher: BERANEK, L. L. : Acoustic Measurements. London und New York KINSLER, L. E., u. A. R. FUEY: Fundamentals of Acoustics. New York FISOHER, F. A.: Grundziige der Elektroakustik. Berlin OLSON, H. Jf.: Musical Engineering. New York RICHARDSON, E. G.: Ultrasonic Physics. Amsterdam, London, New York 1952; Technical Aspects of Sound, Bd. I, Amsterdam, London, New York 1953; Bd. II, Amsterdam, London, New York

6 VIII Vorwort zur ersten Auflage HUETER, T. F., u. R. H. BOLT: Sonics, Techniques for Industrial Uses of Sound and Ultrasound, New York SKUDRZYK, F.: Die Grundlagen der Akustik. vvien BERANEK, L. L.: Acoustics. New York BERGMANN, L.: Der Ultraschall und seine Anwendung in Wissenschaft und Technik. 6. Auf I., Stuttgart LORD RAYLEIGH: Theory of Sound. Neudruck der 2. AufJ., New York REICHARDT, W.: Grundlagen der Elektroakustik. 3; AufJ., Leipzig V orwort zur ersten Auflage Das vorliegende Buch bezweckt, dem Studierenden eine Einfiihrung in die moderne Akustik zu geben; es soli weiterhin dazu dienen, dem auf einem Spezialgebiet arbeitenden Ingenieur und Wissenschaftler einen Einblick in ihm fernerstehende Gebiete der Akustik zu ermoglichen. Das Buch ist so aufgebaut, dab zunachst die allgemeinen Grundlagen der Schwingungslehre und der Wellenlehre behandelt werden; die theoretischen Darlegungen wurden hierbei in moglichst grobem Umfang durch Beispiele aus der akustischen Praxis erganzt. Die weiteren Abschnitte des Buches behandeln dann SchallfeldgroBen und ihre Messung, Schallerzeugung, Schallausbreitung, Schallempfang und Schallaufzeichnung, Schallanalyse und physikalische Eigenschaften naturlicher Schallvorgange. Ein Anhang enthalt ein Verzeichnis der Benennungen in der Akustik und eine Zusammenfassung wichtiger akustischer Formeln. Der Verfasser war bemiiht, eine sachlich knappe Darstellung del' modernen Akustik zu hringen; er hielt es abel' iir angebracht, die sachlichen Darstellungen auch durch einige historische Bemerkungen zu erganzen. Manche groben Leistungen auf akustischem Gebiet sind bisher in der Allgemeinheit nur wenig bekanntgeworden. Del' Verfasser denkt hierbei z. B. an G. S. OHM, welcher die grundlegenden Gesetze des Zusammenhangs von Schallreiz und Schallempfindung fand, und der hierbei zuerst das FOURIER-Theorem auf dem Gebiet del' Akustik anwendete; er denkt auch an WERNER VON SIEMENS, welcher - der modernen Entwicklung urn 50 Jahre vorgreifend - das elektrodynamische Telephonerfand und in genialer Weise seine besondere Eignung fiir klanggetreue Schalliibertragung erkannte. Es wiirde dem Verfasser Freude bereiten, wenn diese Bemerkungen zur Klarung einiger historischer Fragen beitragen wiirden. Eine gewisse Schwierigkeit hildete die richtige Auswahl des in den Anmerkungen nachgewiesenen Schrifttums. Bei del' raschen Entwicklung, welche die Akustik in den letzten Jahren genommen hat, ist es ausgeschlossen, aue akustischen Arbeiten anzufiihren. Del' Verfasser war aher bestrebt, aile diejenigen Arbeiten in Anmerkungen nachzuweisen, die in unmittelbarem Zusammenhang mit den im Text behan-

7 Vorwort zur ersten Auflage IX delten Fragen stehen. Beziiglieh weiterer Arbeiten sei auf andere einschlagige Werke 1 verwiesen. Der besondere Dank des Verfassers gebiihrt dem Leiter des Forschungslaboratoriums I der Siemens-Werke, Herrn Professor GERDIEN, der die vom Verfasser in dem genannten Laboratorium durchgefiihrten Arbeiten stets auf das wohlwollendste forderte. 1m August 1939 Ferdinand Trendelenburg 1 Handbuch der Physik 8, Akustik. Berlin Handbuch der Experimentalphysik 17/1, Schwingungs- und Wellenlehre, Ultraschall. Leipzig 1934; 17/2, 3, Technische Akustik. Leipzig MEYER, E.: Beitrag "Akustik" zur Physik i. regelm. Ber. 2, H. 3, 1 (1934); 6, H. 4, 1 (1938). - TRENDELENBURG, F.: Die Fortschritte der physikalischen und technischen Akustik, 2. Aufl. Leipzig HIEDEMANN, E.: Ultraschall, Ergebn. exakt. Naturw.: 14, 201 (1935). - Literaturzusammenstellung auf dem Gebiet der technischen Mechanik und Akustik. Herausgegeben von W. ZELLER. H. 1 (W. ZELLER): Wohnlarm. Berlin H. 2 (W. ZELLER): Boden- und Gebaudeschwingungen, Larm, Fahrzeugschwingungen. Berlin H. 3 (W. ZELLER u. E. BOEDEKER): Fortsetzung von Heft 2. Berlin H. 4 (K. TEGTMEYER u. E. BOEDEKER): Allgemeine Akustik. Raumakustik. Berlin H. 5 (H. W. KOCH u. E. BOEDEKER): Schwingungen im Bauwesen, bei Fahrzeugen und Maschinen. Schwingungsmessung. Berlin H. 6 (W. ZELLER): Larmabwehr. Berlin BRAUNMUHL, J. H. v., u. W. WEBER: Einfiihrung in die angewandte Akustik. Leipzig BERGMANK, H.: Ultraschall, 2. Aufl. Berlin 1939.

8 Inhaltsverzeichnis Seite I. Grundlegende Fragen der Schwingungslehre und der Wellenlehre Einfache Schwingungen 1 2. Zusammengesetzte Schwingungen 4 3. FouRIER-Darstellung, Kurvenanalyse 7 4. LISSAJOUS-Schwingungen Freie und erzwungene Schwingungen (Systeme von einem Freiheitsgrad) Schwingungen von Systemen mit nichtlinearen Eigenschaften Koppelungsschwingungen (Systeme von mehreren Freiheitsgraden) Selbsterregte Schwingungen Wellengleichung. Die verschiedenen Wellenarten Eigenschwingungen von Luftsaulen, Saiten, Membranen, Stab en EinfluB einer Bewegung von Schallquelle oder Schallempfanger. DOPPLER-Effekt II. SchallfeldgroBen und ihre Messung Schalldruck, Bewegung, Schnelle, Temperaturschwankung, Dichteschwan kung Frequenz, Wellenlange, Schallgeschwindigkeit Schallintensitat (Schallstarke), Schalleistung Lautstarke III. Schallerzeugung Grundlegende theoretische Bemerkungen zur Schallabstrahlung Mechanische Schallsender, Musikinstrumente Die menschliche Stimme Elektrische Schallsender Thermische Schallsender 214 IV. Schallausbreitung Schallgeschwindigkeit HUYGENSSches Prinzip, Reflexion, Beugung, Brechung Schallabsorption Vorgange in geschlossenen akustischen Systemen (Resonatoren, Filter, Leitungen) Raum- und Bauakustik V. Schallempfang und Schallaufzeichnung Wirkungsweise und Bauart technischer Schallempfanger (Schallwandler) Gerichteter Schallempfang

9 Inhaltsverzeichnis 28. Kalibrierung von Schallempfangern 29. Das Ohr als Schallempfanger Schallaufzeichnung.... VI. Schallanalyse. Physikalische Eigenschaften natiirlicher Schallvorgange Verfahren zur Schallanalyse Physikalische Eigenschaften natiirlicher Schallvorgange VII. Anhang XI Seite 401 HI l Benennungen in del' Akustik Formelzeichen Zusammenstellung praktisch wichtiger akustischer Fol'meln Entsprechungen zwischen mechanischen und elektrischen Schwingungssystemen 539 Sach verzeichnis