Grundlagen der Wellenlehre und Schallphysik

Grundlagen der Wellenlehre

Erdbebenwellen und ihre Eigenschaften

Wellen, die durch ein Erdbeben entstehen, werden als Erdbebenwellen bezeichnet. P-Wellen sind Longitudinalwellen und breiten sich in flüssigen und festen Materialien aus. S-Wellen sind Transversalwellen und breiten sich nur in festen Materialien aus. Die Reflexionen und Brechungen der Wellen liefern Informationen über das Innere der Erde.

Die Länge einer Longitudinalwelle ist der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Kompressionen oder Verdünnungen. Zum Beispiel schwingen Luftmoleküle vorwärts und rückwärts in Bezug auf eine Gleichgewichtslage, wenn die Wellen passieren.

Welleninterferenz und Superposition

Während ein Objekt, wie ein Stein, seinen Raum nicht mit einem anderen teilt (z.B. einem anderen Stein), kann es gleichzeitig am selben Ort von mehreren Schwingungen oder Wellen beeinflusst werden. Wenn wir zwei Steine ins Wasser fallen lassen, erzeugt jeder Wellen, die sich überlappen und ein Interferenzmuster bilden. Die Welleneffekte können sich verstärken, abschwächen oder sogar gegenseitig aufheben.

Wenn sich Wellen gleichzeitig im selben Raum befinden, addieren sich ihre Auslenkungen an jedem Punkt im Raum. Dies ist das Prinzip der Superposition:

• Wenn der Wellenberg einer Welle den Wellenberg einer anderen Welle überlappt, addieren sich ihre individuellen Effekte, und es entsteht eine Welle mit größerer Amplitude. Dies wird als konstruktive Interferenz bezeichnet.
• Wenn der Wellenberg einer Welle das Wellental einer anderen Welle überlappt, reduzieren sich ihre individuellen Effekte. Der obere Teil einer Welle füllt den unteren Teil der anderen aus. Dies wird als destruktive Interferenz bezeichnet.

Schallquellen und Tonhöhe

Die meisten Klänge sind Wellen, die durch die Schwingungen von Material erzeugt werden. In einem Klavier, einer Geige oder Gitarre wird der Klang durch die Vibrationen der Saiten erzeugt. In einem Saxophon oder einer Rohrflöte schwingt eine Luftsäule. Die Stimme wird durch die Vibrationen der Stimmbänder erzeugt. In jedem dieser Fälle regt die ursprüngliche Schwingung die Schwingung eines größeren oder massiveren Objekts an.

Die Frequenz des Schalls wird mit dem Begriff Tonhöhe beschrieben. Die Frequenz entspricht der Tonhöhe: Ein hoher Ton, wie der einer Flöte, hat hochfrequente Schwingungen, während ein tiefer oder schwerer Ton, wie der einer Sirene, niederfrequente Schwingungen aufweist.

Hörbereich und spezielle Frequenzen

Das menschliche Ohr kann einen Frequenzbereich zwischen etwa 20 und 20.000 Hz wahrnehmen. Mit zunehmendem Alter schrumpfen die Grenzen dieses Hörbereichs.

• Infraschall: Schallwellen, deren Frequenzen niedriger als 20 Hz sind.
• Ultraschall: Schallwellen, deren Frequenzen höher als 20.000 Hz sind.

Beide können vom menschlichen Ohr nicht gehört werden.

Schallausbreitung in Gasen

Wenn wir applaudieren, ist der erzeugte Klang nicht periodisch. Er besteht aus einem Impuls oder einer Pulswelle, die sich in alle Richtungen ausbreitet. Der Impuls stört die Luft auf ähnliche Weise, wie ein Impuls eine Feder stören würde. Jedes Teilchen bewegt sich entlang der Richtung der Welle, die sich ausbreitet.

Beispiel: In einem langen Raum befindet sich an einem Ende ein Fenster mit einem geschlossenen Vorhang. Am anderen Ende befindet sich eine Tür. Wenn die Tür geöffnet wird, bewegen sich die Luftmoleküle, die sich daneben befinden, von ihren Ausgangspositionen zu den Positionen der benachbarten Moleküle. Im Gegenzug schieben benachbarte Moleküle ihre Nachbarn an und so weiter, wie eine Kompression, die sich durch eine Feder ausbreitet, bis der Vorhang bewegt wird und aus dem Fenster weht. Ein Druckluftimpuls hat sich von der Tür bis zum Vorhang bewegt. Dieser Druckluftimpuls wird als Kompression bezeichnet.

Wenn wir die Tür schließen, drückt dies einige Luftmoleküle aus dem Zimmer. Es entsteht ein Tiefdruckgebiet hinter der Tür. Benachbarte Moleküle verschieben sich und hinterlassen einen Bereich niedrigen Drucks. Dieser Bereich niedrigen Drucks wird als Luftverdünnung bezeichnet. Andere Moleküle, die weiter von der Tür entfernt sind, bewegen sich in diese Regionen, und die Verdünnung breitet sich durch den Raum aus. Dies zeigt sich am Vorhang, der nach innen bewegt wird. Diese Störung ist eine Verdünnung oder Rarefaktion.

In beiden Fällen bewegt sich der Impuls von der Tür bis zum Vorhang. Wir wissen dies, weil sich der Vorhang in beiden Fällen bewegt, nachdem die Tür geöffnet oder geschlossen wurde. Wenn Sie die Tür ständig mit einer periodischen Bewegung öffnen und schließen, erzeugen Sie eine Welle von Kompressionen und Verdünnungen, die den Vorhang hin und her bewegen.