Physikalische und Technische Akustik: Eine Einführung mit zahlreichen Versuchsbeschreibungen PDF
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Meyer/Neumann Physikal ische und Technische Akustik Schwingungsphysik Herausgeber: Prof. Dr. Erwin Meyer Meyer / Guicking Schwingungslehre Meyer / Neumann Physikalische und Technische Akustik Meyer / Zimmermann Elektronische Meßtechnik Meyer / Pottel Physikalische Grundlagen der Hochfrequenztechnik Erwin Meyer / Ernst-Georg Neumann Physikalische und Technische Akustik Eine Einführung mit zahlreichen Versuchsbeschrei bungen 2., berichtigte und erweiterte Auflage Mit 274 Bildern Friedr. Vieweg + Sohn· Braunschweig Dr. phil. Dr.-Ing. E. h. Erwin Meyer war Ordentlimer Professor an der Universität Göttingen. Er verstarb 1972. Dr. rer. nato Ernst-Georg Neumann ist Wissensmaftlicher Rat und Professor an der Ruhr-Universität Bochum. Verlagsredaktion : Alfred Schubert ISBN 978-3-528-18255-7 ISBN 978-3-322-91086-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-91086-8 1974 Alle Rechte vorbehalten Copyright © 1967/1974 by Friedr. Vieweg + Sohn GmbH, Verlag, Braunschweig Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 1974 Die Vervielfältigung und übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall muß über die Zahlung einer Gebühr für die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Ver vielfältigung durch alle Verfahren einschließlich Speicherung und jede übertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bänder, Platten und andere Medien. Umschlaggestaltung: Peter Morys, Wolfenbüttel Vorwort zur 1. Auflage Das vorliegende Buch "Physikalische und Technische Akustik" gehört zu einer Buchreihe "Schwingungsphysik", die aus einer viersemestrigen Experimental vorlesung über das gleiche Thema hervorgegangen ist. Die anderen drei in Be arbeitung befindlichen Teile der Reihe sind: "Schwingungslehre", "Elektronische Meßtechnik" und "Physikalische Grundlagen der Hochfrequenztechnik". In dieser Buchreihe werden in moderner Form mechanische, akustische und elek trische Schwingungen und Wellen in allen heute vorkommenden Frequenzbereichen einheitlich und gleichmäßig nebeneinander behandelt. Ein Kennzeichen der Vor lesungen und damit der Buchreihe bildet die Betonung der mechanisch-elektrischen bzw. akustisch-elektrischen Analogien, die auf gemeinsamen theoretischen Zu sammenhängen beruhen und die zu ähnlichen Ergebnissen auf den verschiedenen Gebieten führen. Gerade das Hervorheben des Verbindenden scheint uns in der heutigen Zeit, in der ohnehin die einzelnen Fachrichtungen mehr und mehr aus einanderstreben, von großer fachlicher wie didaktischer Bedeutung zu sein; damit werden leicht merkbare physikalische bzw. technische Prinzipien herausgestellt, die in einem weiten Bereich Geltung haben. Das vorliegende Buch gibt einen überblick über die gesamte Akustik; dement sprechend wechseln theoretische, experimentelle und anwendungstechnische Teile miteinander ab. An Kenntnissen werden dabei einerseits die Grundlagen der Experimentalphysik, andererseits die Elemente der Differential- und Integral rechnung bzw. der Differentialgleichungen vorausgesetzt. Wenn irgend möglich, werden verwickelte theoretische Darlegungen zugunsten anschaulicher Erklärungen vermieden. Diskussionen zur Anwendungstechnik nehmen einen breiten Raum ein. Das Gewicht der Darstellung liegt auf der experimentellen Seite. Dieses Buch (ebenso wie die anderen drei Bücher der Reihe) beschreibt viele Demonstrationsexperimente, die auch in ihrer niedergeschriebenen Form dafür gedacht sind, den jeweils vorangehenden Text anschaulich zu unterstützen. Dar über hinaus bilden sie die Grundlage für manche quantitativen Versuche zur Bestimmung akustischer Größen, sie sind auch zum Gebrauch für übungen, Praktika oder in Meßlaboratorien geeignet. Die angegebenen Versuche sind teilweise vorlesungstechnisch recht "perfektio niert", trotzdem ist immer das Bestreben vorhanden, den wesentlichen Inhalt des Experiments nicht durch die Demonstrationstechnik zu verdecken. So wird z. B. der Frequenzgang einer Größe durch automatische Frequenzvariation und Registrierung aufgenommen oder eine Richtcharakteristik zeichnet sich selbsttätig auf, im Hörsaal meist unter Benützung eines Speicheroszillografen und einer nachfolgenden Fern sehanlage. Selbstverständlich lassen sich solche Versuche auch mit geringerem Geräteaufwand durchführen. Die Versuchsresultate werden zur Erläuterung des Textes anstelle von Zeichnungen benutzt, um damit gleichzeitig einen Eindruck von der Brauchbarkeit des Experi ments oder auch von vorhandenen Unzulänglichkeiten zu vermitteln. Die Beschrei bung der Versuche geht in den wichtigen Punkten so weit, daß ihre Wiederholung gut möglich sein dürfte. Wenn es zweckmäßig erscheint, wird jeweils im Anschluß an die "mechanisch akustische" Demonstration das analoge "elektrische" Experiment angefügt. Der Stoff des Buches ist umfangreich. So ist es kein Wunder, daß über seine einzelnen Kapitel jeweils Monografien existieren. Die Stoffauswahl war daher in gewissem Grade willkürlich, sie ist eine Sache des Geschmacks und der praktischen Erfahrung im Unterrichtsbetrieb. Das gleiche gilt auch für Umfang und Reihenfolge der einzelnen Kapitel. Wie in Lehrbüchern üblich, wurde weitgehend davon Ab stand genommen, die vielen Autorennamen zu erwähnen, die zu den beschriebenen Sachverhalten und Erkenntnissen, zu Geräten, zu quantitativen Messungen etc. gehören. Manche Abbildung konnte dankenswerterweise der vorhandenen Literatur entnommen werden. Noch ein Wort zur Frage der Bezeichnung der Formelgrößen und der Einheiten. Hier wurden weitgehend die z. Z. gültigen Normen und Empfehlungen zugrunde gelegt. Wie schon erwähnt, hat das Buch seinen Ursprung in einem Zyklus von Experi mentalvorlesungen, die der eine der beiden Autoren zwei Jahrzehnte lang im III. Physikalischen Institut der Universität Göttingen gehalten hat. Um derartige Vor lesungen aufzubauen, bedarf es einer sachkundigen und interessierten Unter stützung durch die entsprechenden Institutswerkstätten. Wir waren in der glück lichen Lage, in Herrn Rundfunkmechanikermeister H. Henze einen unermüdlichen Mitarbeiter voller technischer Einfälle und voller Liebe zur Sache zur Verfügung zu haben. Ihm gilt also unser besonderer Dank; aber auch manche andere Mit arbeiter des Instituts wie Herr W. Ebrecht haben viel geholfen. Aus den Kreisen der wissenschaftlichen Dozenten und Assistenten kamen im Laufe der Jahre immer neue Anregungen, das "Versuchs-Repertoire" zu verbessern oder zu ergänzen. Herr Univ.-Doz. Dr. H. Kuttruff hat das Manuskript mit großer Sorgfalt gelesen und manche wichtigen Korrekturen angeregt; aber auch die Herren Dr. P. Damaske, Dr. D. Guicking, Dr. K. G. Plaß und Dr. A. Zasel haben uns beim Korrekturlesen unterstützt. Ihnen allen dürfen wir herzlich danken. Abschließend möchten wir unseren besonderen Dank noch dem Verlag zum Aus druck bringen, nicht nur für die vortreffliche Ausstattung des preiswert gehaltenen Buches, sondern auch für das verständnisvolle Eingehen auf unsere mannigfachen Wünsche bei seiner Herstellung. Göttingen Erwin Meyer Ernst-Gearg Neumann Vorwort zur 2. Auflage In der vorliegenden 2. Auflage sind Druckfehler verbessert, einige Oszillogramme deutlicher gemacht und wenige die Zeilenzahl des Satzes nicht verändernde Korrekturen vorgenommen worden. Gegenüber der 1. Auflage wurden jedoch am Schluß des Textes zwei neue Kapitel angefügt, um der modernen Entwicklung von zwei akustischen Teilgebieten Rech nung zu tragen. Das neue Kapitel 10 behandelt die in den letzten Jahren aktuell gewordenen Verfahren zur Erzeugung und zum Nachweis von höchstfrequenten Phononen durch Quantenprozesse. Im zusätzlichen Kapitel 11 wird ein überblick über das besonders für die technische Lärmabwehr wichtige Gebiet der Strömungs akustik gegeben. Den Herren Dr. K. Laßmann und Dr. D. Ronneberger sind wir für Ratschläge bei der Abfassung der beiden hinzugekommenen Kapitel zu Dank verpflichtet. Bochum, im Juli 1973 Ernst-Georg Neumann Inhaltsverzeidmis 1. Theorie der SmaUfelder 1.1. Schall in Flüssigkeiten und Gasen 1 1.1.1. Die drei Grundgleichungen 1 1.1.2. Ebene Wellen 4 1.1.3. Der Wellenwiderstand 7 1.1.4. Kugelwellen 11 1.2. Schall in porösen Stoffen 13 1.3. Schall in festen Körpern 17 1.3.1. Dichte-und Schubwellen im unendlich ausgedehnten Festkörper 17 1.3.2. Dehn-, Torsions-und Biegewellen im begrenzten Festkörper 19 1.3.3. Rayleighwellen an der Oberfläche von Festkörpern 24 1.4. Leitungstheorie 29 1.4.1. Die Leitungsgleichungen 29 1.4.2. Stehende Wellen in einem schallhart abgeschlossenen Rohr 30 1.4.3. Stehende Wellen in einem offenen Rohr 33 1.4.4. Reflexion an einer Wand endlicher Impedanz 35 1.4.5. Versuche zu den stehenden Wellen und zur Reflexion 37 1.4.6. Resonanz einer akustischen Rohrleitung 40 1.5. Schalldurchgang durch Wände 42 1.5.1. Das Massegesetz 42 1.5.2. Der (ipuranpassungseffekt (Koinzidenzeffekt) 45 1.5.3. Die Doppelwand 46 1.5.4. Versuche zur Schalldämmung 47 1.6. Schallbeugung und Schallstreuung 49 2. Raumakustik 2.1. Wellentheoretische Raumakustik 52 2.1.1. Eigenschwingungen und Resonanzfrequenzen eines Quaderraumes 52 2.1.2. Kundtsches Rohr und Flachraum 61 2.1.3. Flachtank und Hohlleiter 62 2.2. Statistische Raumakustik 66 2.2.1. Der Nachhall 66 2.2.2. Die optimale Nachhallzeit eines Raumes 70 2.2.3. Messung des Schallabsorptionsgrades 72 2.2.4. Stationäre Energiedichte 73 2.2.5. Schallabsorber 75 2.2.6. Diffuse Schallreflexion 79 2.3. Geometrische Raumakustik 81 2.3.1. Schallrückwürfe von den Raumwänden 81 2.3.2. Das Flatterecho 84 3. Dämpfung von Smatl 3.1. Schallabsorption in Gasen 86 3.1.1. Klassische Absorption durch innere Reibung und Wärmeleitung 86 3.1.2. Molekulare Schallabsorption 87 Inhaltsverzeichnis IX 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 104 4.2. Der Langevinsche Schallstrahlungsdruck 106 4.3. Das Schallradiometer 107 4.4. Der Ultraschallsprudel 108 4.5. Strahlungskraft von Saiten wellen 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 x Inhaltsverzeichnis 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 S.13. Die Absorptionsfläche eines Resonanzempfängers 180 6. Akustisme Meßtemnik 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. Physiologisme und Psymologisme Akustik 7.1. Das Gehör 207 71.1. 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. Zweiohriges Hören 223 7.2. Die Sprache 227 7.2.1. Vokale und Konsonanten 227
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