Physik für Biologen und Zahnmediziner

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1 Physik für Biologen und Zahnmediziner Kapitel 11: Schwingungen und Wellen Dr. Daniel Bick 08. Dezember 2017 Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

2 Übersicht 1 Schwingungen 2 Wellen Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

3 Überlagerung von Schwingungen 2 1 x(t) t Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

4 Interferenz Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

5 Fourierzerlegung (nur zum Angucken) Jedes Funktion läßt sich mit einer Summe aus harmonischen Schwingungen darstellen. A f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f t f f A f 5 f 4. f 3. f t Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

6 Schwebungen Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

7 Modulationsfrequenzen bei der Schwebung Überlagerung von Schwingungen leicht unterschiedlicher Frequenz y(t) = A 1 sin(ω 1 t + ϕ 1 ) + A 2 sin(ω 2 t + ϕ 2 ) Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

8 Gekoppeltes Pendel x(t) t x(t) t Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

9 Übersicht 1 Schwingungen 2 Wellen Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

10 Wellen Transversalwellen Longitudinalwellen Wassermoleküle in einer Welle Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

11 Ausbreitung einer Welle Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

12 Wellenläge und -geschwindigkeit Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

13 Wellengleichung A(t) A(x) t x Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

14 Wellen in mehreren Dimensionen Ausbreitung meistens in mehrere Richtungen Wellen am Ufer: lineare (ebene) Welle Stein fällt ins Wasser: Kreiswellen Schall: Kugelwelle Folge: Amplitude bei Kreis- und Kugelwellen nimmt mit Abstand ab Kreiswelle: Kugelwelle: Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

15 Überlagerung von Wellen s λ λ s s λ s Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

16 Huygenssches Prinzip Jeder Punkt einer Wellenfront kann wieder als Ausgangspunkt einer Kugelwelle, der sogenannten Elementarwellen, betrachtet werden. Das Wellenbild hinter einem Hindernis (Beugungsbild), setzt sich dann aus der Überlagerung der Elementarwellen zusammen. Quelle: huygens.htm Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

17 Schall Überdruck Unterdruck Erzeugung einer Schallwelle Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

18 Reflexion von Seilwellen Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

19 Stehende Wellen Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

20 Stehende transversale Wellen Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

21 Stehende longitudinale Wellen Anschaulich im Experiment: Kundtsches Rohr Rubenssches Flammenrohr Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

22 Chladnische Klangfiguren Chladni's Akustik a 66b 67a 67b 67c 68a 68b 60Hz 72Hz 95Hz 109Hz 128Hz 175Hz 69 71a 70 71b 71c 240Hz 378Hz 338Hz 352Hz 426Hz 478Hz 72a 72b 73a 73b 74a 74b a 79b 80a 80c 80c Quelle: Wikipedia Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

23 Akustisches Frequenzspektrum Quelle: Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

24 Schallgeschwindigkeit Abhängig von Dichte und Elastizität des Mediums Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Medium Beispiele Adiabatenexponent κ ist gasspezifisch (z.b. O 2 : κ = 1,4) c Luft 333 m/s ((ϑ,p) c Luft = 330 m/s bei 0, c Luft = 343 m/s bei 20 ) c H2 O 1500 m/s c Eis 3250 m/s c Stahl = 5850 m/s (longitudinal) c stahl = 3230 m/s (transversal) Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

25 Schallfeldgrößen Amplitude, Schnelle, Druck Ein einzelnes Teilchen schwingt mit Amplitude A 0 Schallamplitude Amplitude A 0 der Schwingung eines Teilchens Schallschnelle Maximale Geschwindigkeit der Moleküle Schalldruck bzw. Schallwechseldruck Durch Schwingung erzeugte maximale Druckschwankung (O 10 2 Pa) Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

26 Schallfeldgrößen Intensität Schallstärke bzw. Intensität I Schallempfindlichkeit des menschlichen Ohrs Bei 1000 Hz Hörgrenze W/m 2 Schmerzgrenze 1 W/m 2 Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

27 Schallwahrnehmung Weber-Fechner-Gesetz Subjektive Lautstärke wächst nicht linear sondern logarithmisch mit Intensität Definiere Hörgrenze W/m 2 als Bezugsintensität I 0 Schallstärkenpegel L (Lautstärke) Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

28 Schalldruckpegel Quelle: Wikipedia Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

29 Lärm im Alltag Quelle: Brüel & Kjær -- The range of Sound Pressure Levels Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

30 Doppler-Effekt Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

31 Frequenzverschiebung beim Doppler-Effekt λ 1 λ 2 Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

32 Schallmauer Quelle: Wikipedia (2x) Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

33 Wellenwiderstand Wellenwiderstand (Impedanz) Eigenschaft eines Mediums, in dem sich eine Welle ausbreitet. Das Verhältnis von reflektierter und transmittierter Amplitude der Welle an einer Grenzfläche wird durch die Impedanz der beiden Medien bestimmt. An der Grenzfläche zweier Stoffe mit großem Impedanzunterschied wird Schall stark reflektiert. Impedanz Schallreflexionsfaktor Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

34 Echoverfahren Anwendung: Sonographie US Laufzeit Abstand Amplitude des reflektierten Pulses Dichteverteilung Frequenz Bewegung der Schichten (Dopplereffekt) Daniel Bick Physik für Biologen und Zahnmediziner 08. Dezember / 34

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