Energietransport einer Welle (Intensität): Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 6. Februar 2012, 15:04 Uhr

Unter der Intensität einer Welle versteht man bei einer dreidimensionalen Welle die Stärke des Energiestroms ("Leistung") pro Fläche. Sie gibt also an, wieviel Energie pro Zeit und pro Fläche transportiert wird.

Im Falle einer zweidimensionalen Welle ist die Intensität die Leistung pro Länge.

Im Falle einer eindimensionalen Welle ist es einfach die Leistung.

Beispiele

• Hängt der Lärm vom Wetter ab? Dämpfung, Brechung, Streuung, Beugung und Reflexion von Schallwellen im Hinblick auf Lärmberuhigung. (DLR Institut für Physik der Atmosphäre)

• Wie weit kann man wohl den Ton eines "5-Watt-Lautsprechers" hören? Und wenn man die Leistung verdoppelt?

Ebene Welle

Um die Intensität einer ebenen Welle zu bestimmen, betrachtet man ein quaderförmiges Raumgebiet mit der Stirnfläche A und der Länge x = ct. In der Zeit t wird also die Fläche A von der in diesem Gebiet enthaltenen Energie durchströmt.

Die enthaltene Energie kann man über die in den Schwingungen gespeicherte Energie bestimmen:

[math]E = \frac{M}{2}\omega^2 \hat y^2[/math] oder [math]E = p \, V[/math]

Die Masse berechnet man aus Dichte und Volumen:

[math]E = \frac{\rho \, V}{2}\omega^2 \, \hat y^2[/math]

Das Volumen aus Fläche A und Länge x:

[math]E = \frac{\rho \, A \, c \, t}{2}\omega^2 \, \hat y^2[/math] oder [math]E = p \, A \, c \, t [/math]

Für die Energie pro Zeit und Fläche folgt daher:

[math]I = \frac{1}{2} \ \rho \ c \ \omega^2 \hat y^2[/math] oder [math]E = p  \, c [/math]
Die Intensität ist proportional zur Dichte des Mediums, zur Ausbreitungsgeschwindigkeit, 
zum Quadrat der Frequenz und zum Quadrat der Amplitude!

Noch den effektiven Druck dazubringen : [math]\tilde p = \frac{\hat p}{\sqrt{2}}[/math]

Intensitätsrückgang bei Kugel-, Kreis- und Zylinderwellen

Bei der Kreiswelle verteilt sich der Energiefluss auf immer größere Kreise.

Anders als bei einer ebenen Welle verteilt sich mit zunehmendem Abstand von der Quelle die Energie immer mehr im Raum. Das heisst, dass die Intensität mit dem Abstand zur Quelle sinkt.

Eine annähernd punktförmige Quelle, die mit z.B. 5 Watt Leistung sendet, verteilt diesen Energiestrom auf eine immer größere Kugelfläche. Die Energiemenge pro Zeit ist für jede Fläche ist konstant! Für die einzelnen Wellen ergibt sich daraus die Intensität in einem Abstand r von der Quelle:

• Kreiswelle: Die Leistung P verteilt sich auf einen Kreis und nimmt mit 1/r ab.

[math]I(r)= \frac{P}{2 \ \Pi \ r} \quad \sim \frac{1}{r}[/math]

• Kugelwelle: Die Leistung verteilt sich auf eine Kugeloberfläche, wodurch sie mit 1/r^2 abnimmt und eine geringere Reichweite hat.

[math]I(r)=\frac{P}{4 \ \Pi \ r^2} \quad \sim \frac{1}{r^2}[/math]

• Zylinderwelle: ÜBERARBEITEN! Die Leistung verteilt sich auf einen Zylindermantel der Länge l mit dem Radius r. Die Intensität ist also auch von der Länge der Schallquelle abhängig. Je länger die Schallquelle ist, wie z.B. eine lange Straße, desto mehr nimmt die Intensität mit 1/r ab, hat also eine große Reichweite. Ist die Quelle kurz, so nimmt die Intensität wie bei einer Kugelwelle ab.

[math]I(r,l)= \frac{P}{2 \ \Pi \ r \ l} \quad \sim \frac{1}{r}[/math]

• und wie die Amplitude?

Energie"verlust" durch Dämpfung

• Durch Reibung entsteht Wärme (Entropie).
• Wie groß ist der Effekt?
• Beispielrechnung für eine Schallwelle. Wie weit kann man sie hören, wenn sie mit 5Watt sendet?
• Rechner zur bestimmung der Dämpfung in db/m in Abhängigkeit von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Frequenz. (Thomas Jahnke)

Empfundene Lautstärke

• Wikipedia:Lautstärke
• Schluss mit Lärm! (Europäische Woche für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit)
• Schalldruck p ist der Differenzdruck zum Normaldruck (P(t) kann zB. sinusförmig sein, dann ist der effektive Unterschied zum Normaldruck [math]\hat p / \sqrt{2}[/math].
• Es gilt Intensität=Ausbreitungsgeschwindigkeit * Schalldruck

[math] p_\mathrm{ges} = p_0 + p \, [/math]

Links

• Umweltbundesamt: Lärmprobleme
• [Wikipedia:Schalldruck]
• UB Freiburg: Ingenieurakustik Physikalische Grundlagen und Anwendungsbeispiele / von Hermann Henn, Gh. Reza Sinambari, Manfred Fallen (Buch als pdf)
• PHB: Schall & Klang : wie und was wir hören / Georg Eska
• Schall und Schallschutz : Grundlagen u. Anwendungen / J. Fricke ...
• Die Ausbreitung und Schwächung von Schallwellen / von Peter Rauser
• Schall, sichtbar gemacht / Winston E. Kock