Grundlagen der Akustik und Wellenphysik

Schall und seine Eigenschaften

• Schall (Sound): Längsvibrationen geringer Amplitude von Punkten aus einem elastischen Material, die sich ausbreiten. Wenn diese Punkte das umgebende Medium erreichen, gelangen sie an unser Ohr, stören das Gleichgewicht und verursachen eine Empfindung von Lärm.
• Echo: Wiederholung des Schalls, die durch Reflexion verursacht wird. Das heißt, wenn die einfallende Welle reflektiert wird und die Wahrnehmung durch denselben Beobachter mit einer Zeitdifferenz erfolgt, die groß genug ist, um als verschiedene Töne wahrgenommen zu werden.
• Reverb (Nachhall): Tritt auf, wenn der Ton und das Echo zusammen wahrgenommen werden.
• Merkmale des Tons:
  • Lautstärke (Intensität der Welle)
  • Klangfarbe (Wellenform)
  • Tonhöhe (Frequenz der Welle)
  • Hohe Töne (Agudos): Eine große Anzahl von Schwingungen.
  • Tiefe Töne (Graves): Wenn nur wenige Erschütterungen vorliegen.
• Timbre (Klangfarbe): Eigenschaft, durch die zwei Klänge die gleiche Lautstärke und die gleiche Tonhöhe haben können.

Wellenarten und Ausbreitung

• Welle: Sie transportiert Energie durch den Raum von einem Punkt zu einem anderen, ohne Materie zu transportieren.
• Pulswelle: Eine individuelle Störung, die sich durch das Medium ausbreitet.
• Wellenzug: Die Ausbreitung einer kontinuierlichen Störung.
• Mechanische Wellen: Sie benötigen ein materielles Medium zur Ausbreitung.
• Elektromagnetische Wellen: Benötigen kein Ausbreitungsmedium.
• Longitudinalwellen: Wenn die Richtung der Schwingungen der Teilchen mit der Ausbreitungsrichtung zusammenfällt.
• Transversalwellen: Breiten sich senkrecht zu der Richtung aus, in der die Teilchen vibrieren.
• Wellenfront: Ort der Punkte, an denen die Phase im Raum übereinstimmt.
• Dämpfung: Rückgang der Amplitude.

Physikalische Wellenphänomene

Reflexion, Brechung und Beugung

• Reflexion: Tritt auf, wenn sich eine Welle durch ein homogenes Medium bewegt und auf ein Hindernis trifft, das aufgrund seiner Beschaffenheit und einer Größe, die größer als die Wellenlänge ist, eine Änderung der Richtung und des Sinns der Wellenausbreitung bewirkt.
• Brechung: Besteht aus der Änderung der Ausbreitungsrichtung, die eine schräg einfallende Welle erfährt, wenn sie von einem Medium in ein anderes mit unterschiedlichen Eigenschaften übertritt, bedingt durch die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in beiden Medien.
• Huygens-Prinzip: Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt neuer Elementarwellen betrachtet werden, deren Einhüllende die neue Wellenfront bildet.
• Diffraktion (Beugung): Ein exklusives Wellenphänomen; die Änderung der Richtung einer Wellenausbreitung beim Passieren eines Schlitzes oder eines Hindernisses, das den Fortschritt eines Teils der Wellenfront behindert.
• Polarisation: Eine Transversalwelle schwingt normalerweise in allen Ebenen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung; der Zustand, in dem die Welle nur in einer Ebene schwingt, wird als polarisiert bezeichnet.
• Interferenz: Ein Zusammentreffen von zwei oder mehr Wellen, bei dem sich ihre Wirkungen summieren und zu einer neuen Wellenform führen. Typen:
  • Konstruktiv: Wenn die überlagerten Wellen die gleiche Auslenkungsrichtung haben.
  • Destruktiv: Wenn die überlagerten Wellen entgegengesetzte Auslenkungsrichtungen haben.
• Superpositionsprinzip: Wenn zwei oder mehr Wellen an einem Punkt zusammentreffen, entspricht die daraus resultierende Störung der Summe der Störungen, die jeweils einzeln auftreten würden.
• Stehende Wellen: Resultieren aus der Interferenz zweier identischer Wellen, die sich mit gleicher Frequenz in entgegengesetzter Richtung ausbreiten.