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
Inhaltsverzeichnis 1. Theorie der Schallfelder 1.1. 1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4. 1.2. 1.3. 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.4. 1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4. 1.4.5. 1.4.6. 1.5. 1.5.1. 1.5.2. 1.5.3. 1.5.4. 1.6. 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 2.1.1. Eigenschwingungen und Resonanzfrequenzen eines Quaderraumes 2.1.2. Kundtsches Rohr und Flachraum 2.1.3. Flachtank und Hohlleiter 2.2. Statistische Raumakustik 2.2.1. Der Nachhall 2.2.2. Die optimale Nachhallzeit eines Raumes 2.2.3. Messung des Schallabsorptionsgrades 2.2.4. Stationäre Energiedichte 2.2.5. Schallabsorber 2.2.6. Diffuse Schallreflexion 2.3. Geometrische Raumakustik 2.3.1. Schallrückwürfe von den Raumwänden 2.3.2. Das Flatterecho 1 1 4 7 11 13 17 17 19 24 29 29 30 33 35 37 40 42 42 45 46 47 49 52 52 61 62 66 66 70 72 73 75 79 81 81 84 3. Dämpfung von Schall 3.1. Schallabsorption in Gasen 86 3.1.1. Klassische Absorption durch innere Reibung und Wärmeleitung 86
3.1.2. Molekulare Schallabsorption 87 3.1.3. Weitere Absorptionsursachen in Gasen 93 3.2. Schallabsorption in Flüssigkeiten 93 3.2.1. Molekulare Absorption 93 3.2.2. Absorption durch Gasblasen 94 3.3. Schallabsorption an Wänden 95 3.3.1. Die Zähigkeitsgrenzschicht 95 3.3.2. Demonstration der Teilchenbewegung in der Nähe einer Wand 97 3.3.3. Schalldämpfung in Rohren 99 4. Nichtlineare Effekte 4.1. Der Rayleighsche Schallstrahlungsdruck v 104 4.2. Der Langevinsche Schallstrahlungsdruck 106 4.3. Das Schallradiometer 107 4.4. Der Ultraschallsprudel 108 4.5. Strahlungskraft von Saitenwellen 109 4.6. Kavitation 110 4.7. Der Quarzwind 112 4.8. Stoßwellen 113 5. Schallabstrahlung und Schallempfang 5.1. Kolbenstrahler in einem Rohr 117 5.2. Kugelstrahler 117 5.2.1. Strahlungswiderstand und mitschwingende Mediummasse 117 5.2.2. Die Knallwelle 120 5.2.3. Schwingungen einer Luftblase in Wasser 121 5.2.4. Schwingungen eines Hohlraumes in Gummi 123 5.2.5. Schwingungen eines Tropfens 125 5.3. Kolbenstrahler in einer unendlich großen Wand 126 5.4. Trichterstrahler 128 5.4.1. Theorie des Trichters 128 5.4.2. Die Druckkammer 134 5.5. Richtwirkung von elementaren Schallstrahlern 135 5.6. Richtwirkung von Strahlergruppen 141 5.6.1. Die lineare Strahlergruppe 141 5.6.2. Elektrische Schwenkung der Richtcharakteristik 145 5.6.3. Unterdrücken von Nebenmaxima und Auffüllen von Nullstellen des Richtdiagrammes 147 5.6.4. Die Dipolzeile als elektromagnetisches Analogen der Lautsprecherzeile 147 5.7. Das Schallfeld der kreisförmigen Kolbenmembran 149 5.7.1. Der Schalldruck auf der Mittelsenkrechten der kreisförmigen Kolbenmembran 149 5.7.2. Das Nahfeld der kreisförmigen Kolbenmembran 152 5.7.3. Das Fernfeld der kreisförmigen Kolbenmembran 156 5.8. Vergleich der Peilschärfen verschiedener Richtstrahler 156
5.9. Schallabstrahlung von Biegewellen auf Platten 157 5.10. Richtmikrofone 162 5.10.1. Das Röhrenmikrofon 162 5.10.2. Das Rohrschlitzmikrofon 162 5.10.3. Die Langdrahtantenne als elektromagnetisches Analogon der Rohrmikrofone 163 5.10.4. Das akustische Analogon der Yagi-Antenne 164 5.10.5. Parabolspiegel als Richtmikrofon (Richtsender) 167 5.10.6. Sammellinse für Luftschall 167 5.10.7. Analoge Sammellinse für Mikrowellen 169 5.11. Schallbeugung 170 (im Zusammenhang mit Schallabstrahlung und Schallempfang) 5.11.1. Beugung an einer Kreisscheibe 170 5.11.2. Beugung an einer Kreisblende 171 5.11.3. Praktisch wichtige Beugungserscheinungen 172 5.12. Das Schottkysche Tiefenempfangsgesetz 177 5.13. Die Absorptionsfläche eines Resonanzempfängers 180 6. Akustische Meßtechnik 6.1. Die Rayleighscheibe 183 6.2. Das Wiensche Membranmanometer 185 6.3. Zwei einfache Verfahren zur Bestimmung von kleinen Schwingungsamplituden 186 6.4. Eichung eines Kondensator-Mikrofons durch eine elektrostatische Ersatzkraft 187 6.5. Eichung in einer Druckkammer 191 6.6. Reziprozitätseichung 192 6.7. Druck- und Feldeichung 194 6.8. Untersuchung von Schall mit Licht 195 6.8.1. Debye-Sears-Effekt 195 6.8.2. Brillouin-Streuung 198 6.9. Akustische Meßräume 201 6.10. Messung von Körperschall 201 7. Physiologische und Psychologische Akustik 7.1. Das Gehör 207 7.1.1. Anatomischer Aufbau des menschlichen Ohres 207 7.1.2. Funktionsweise des Gehörs 208 7.1.3. Frequenzbereich und Empfindlichkeit des Gehörs 213 7.1.4. Lautstärke 215 7.1.5. Unterschiedsschwellen des Gehörs 218 7.1.6. Psycho-akustische Effekte 219 7.1.6.1. Residuum 219 7.1.6.2. Verdeckung 220 7.1.6.3. Die Nichtlinearität des Gehörs 222
7.1.6.4. 7.2. 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. 7.2.3.1. 7.2.3.2. 7.2.3.3. 7.2.4. Zweiohriges Hören Die Sprache Vokale und Konsonanten Sichtbare Sprache Künstliche Sprache Voder Vocoder Elektrische Nachbildung des Stimmkanals Schalleistung, Frequenzbereich und Verständlichkeit von Sprache 223 227 227 233 234 234 235 237 238 8. Elektroakustische Wandler 8.1. Kohlemikrofon 8.1.1. Wirkungsweise des Kohlemikrofons 8.1.2. Klanganalyse mit Hilfe des Kohlemikrofons 8.1.3. Verbesserte Kohlemikrofone 8.2. Elektrostatische Wandler 8.2.1. Elektrostatische Mikrofone 8.2.2. Elektrostatische Schallstrahler 8.3. Dynamische Wandler 8.3.1. Dynamische Mikrofone 8.3.2. Dynamische Lautsprecher 8.3.3. Dynamische Wandler für Wasserschall 8.4. Elektromagnetische Wandler 8.5. Thermische Schallquellen und Empfänger 8.6. Piezoelektrische Wandler 8.6.1. Piezoelektrischer Effekt 8.6.2. Quarz 8.6.3. Piezoelektrische Oberflächenanregung und -abtastung 8.6.4. Weitere piezoelektrische Substanzen 8.6.5. Wanderwellenverstärker für Ultraschall 8.7. Magnetostriktive Wandler 8.7.1. Der magnetostriktive Effekt 8.7.2. Nickelschwinger 8.7.3. Echolot 8.7.4. Bohren und Schweißen mit Ultraschall 242 242 246 248 249 249 254 256 257 259 264 266 267 267 267 269 273 279 284 286 286 287 288 288 9. Schallaufzeichnung 9.1. Schallplatte (Nadelton) 9.1.1. Aufzeichnung 9.1.2. Messung der aufgezeichneten Schnelle 9.1.3. Tonabnehmer 9.2. Tonfilm (Lichtton) 9.2.1. Schriftarten 9.2.2. Spaltbreite und obere Frequenzgrenze 9.2.3. Goldbergbedingung für fotografische Registrierung 291 291 294 297 301 301 302 305
9.2.4. Lichtelektrische Empfänger 308 9.3. Magnetton 311 9.3.1. Aufzeichnungsverfahren 311 9.3.1.1. Löschung im Hochfrequenzfeld und Aufsprechen mit Gleichfeld-Vormagnetisierung 313 9.3.1.2. Löschung im Gleichfeld und Aufsprechen mit Gleichfeld-Vormagnetisierung 314 9.3.1.3. Löschung im Hochfrequenzfeld und Aufsprechen mit Hochfrequenz-Vormagnetisierung 315 9.3.2. Frequenzgang, Kopiereffekt und Einfluß äußerer Magnetfelder 317 9.3.3. Anwendungen des Magnettonverfahrens 320