Energietransport einer Welle (Intensität): Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 30. November 2016, 13:25 Uhr

(Kursstufe > Mechanische Wellen)

Bei der Kreiswelle fließt die Energie durch immer größere Kreise.

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

• 

  Wie funktioniert ein Stethoskop?

• 

  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 die Musik der Berliner Waldbühne hören? Und wenn man die Leistung der Lautsprecher verdoppelt?

Intensität einer ebenen harmonischen Welle

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

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

Für die Energie pro Zeit und Fläche folgt daher:

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

Intensitätsrückgang bei Kugel-, Kreis- und Zylinderwellen

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 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: Bei einer linienförmigen Quelle, wie einer Straße, sind die Wellenfronten (halb-)zylinderförmig mit zwei (Viertel)Halbkugeln an den Enden. Die Intensität ist also vom Abstand zur Quelle und von der Länge der Quelle abhängig.

Ist die Quelle relativ lang (im Verhältnis zum Abstand), so verteilt sich die Leistung auf einen Zylindermantel der Länge l mit dem Radius r. Je länger die Quelle ist, desto mehr nimmt die Intensität mit 1/r ab, hat also eine große Reichweite.

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

Ist die Quelle relativ kurz (im Verhältnis zum Abstand), so nimmt die Intensität wie bei einer Kugelwelle ab.

Veränderung der Amplitude

Die Amplitude nimmt mit größerem Abstand zur Quelle ab. Durch den Zusammenhang von Intensität und Amplitude kann man auch genauere Aussagen machen. Am einfachsten für den Fall eines homogenen Mediums, also z.B. Luft mit gleicher Temperatur und gleichem Druck, denn dann ist die Dichte [math]\rho[/math] des Mediums, die Ausbreitungsgeschwindigkeit [math]c[/math] und die Kreisfrequenz [math]\omega = 2 \pi f[/math] konstant.

[math]I = \frac{1}{2} \ \rho \ c \ \omega^2 \hat y^2 \qquad \Rightarrow \quad I \sim \hat y ^2[/math]

[math]\hat y = \sqrt{\frac{2}{\rho\, c\, \omega^2}} \cdot \sqrt{I} \quad \Rightarrow \quad \hat y \sim \sqrt{I}[/math]

• Kreiswelle:

[math]\hat y (r) \sim \frac{1}{\sqrt{r}}[/math]

• Kugelwelle:

[math]\hat y (r) \sim \frac{1}{r}[/math]

• Zylinderwelle:

[math]\hat y (r) \sim \frac{1}{\sqrt{r}}[/math]

Energie"verlust" durch Dämpfung

• Durch Reibung entsteht Wärme (Entropie).
• Exponentielle Abnahme (Ähnlich wie radioaktiver Zerfall)
• 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)
• wissen vor 8 - Warum ist es leiser wenn schnee liegt (youtube: von "freddytheking007")
• Wissen vor 8 - Was ist Flüsterasphalt? (youtube.de; von "Friedbert Zausel")

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]

Raumakustik und Lärmbelastung in der Schule

• Lärmbelastung und Raumakustik in Klassenzimmern der Schule

Links

• Umweltbundesamt: Lärm
  • Lärm und Gesundheit (pdf) Sachinformationen und Vorschläge zur Behandlung der Themen Lärm und Ruhe
• Wikipedia: Schalldruck
• Wikipedia: Speaking tube
• WDR: Planet Wissen: Hören
• Planet Wissen - "Lärm" Wenn Töne weh tun - 1.1 WDR (Erster Teil von 4 x 15min)
• Bücher
  • 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