Die Eigenschaften von Schallwellen

Die Eigenschaften von Schallwellen

Die Animation erklärt die wichtigsten Eigenschaften von Wellen am Beispiel der Schallwellen.

Physik

Schlagwörter

Welle, Schallwelle, Wellen, Frequenz, Amplitude, fázis, Mechanische Welle, Wellenlänge, Stimme, Hertz, elektromagnetische Welle, Schallgeschwindigkeit, Wellenwand, Vibration, harmonische Schwingung, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Quelle, Ultraschall, Infraschall, Schallintensität, Periodizität, Staat, Physik, physisch, Mechanik

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Fragen

  • Stimmt diese Behauptung?\nJe lauter wir schreien, desto schneller breitet sich der Schall aus.
  • Stimmt diese Behauptung?\nDie Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von der Frequenz ab.
  • Was ist die Maßeinheit der Frequenz?
  • Was ist die Schwingungszahl?
  • Was ist der Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge?
  • Was ist der Zusammenhang zwischen Frequenz und Amplitude?
  • Was ist die Maßeinheit der Amplitude?
  • Wo ist die Schallgeschwindigkeit größer? Im Wasser oder in der Luft?
  • Was ist der Zusammenhang zwischen Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit?
  • Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit in der Luft bei 15 °C?
  • Was ist Ultraschall?
  • Was ist die Phasendifferenz zwischen synchron schwingenden Teilchen?
  • Stimmt diese Behauptung?\nDie Schallwellen, die sich in Gasen ausbreiten, sind immer Longitudinalwellen.
  • Was ist die Wellenfront?
  • Wie groß ist die Wellenlänge eines Tons mit einer Frequenz von 20.000 Hz in der Luft auf Meereshöhe? (c=f*λ)

3D-Modelle

Wellenentstehung

  • Wellenfront - Sie besteht aus Teilchen, die in der gleichen Phase schwingen.
  • Wellenlänge (λ) - Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenfronten, ihr Formelzeichen ist λ (Lambda). In der Realität liegt die Wellenlänge des für die meisten Menschen hörbaren Schalls zwischen 16 mm und 16 m und seine Wellengeschwindigkeit beträgt ca. 340 m/s.
  • Teilchen - Die einzelnen Teilchen vibrieren.
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit - Eine Eigenschaft des Mediums selbst; sie entspricht nicht der Geschwindigkeit der Partikel.
  • Frequenz - Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde.
  • Amplitude - Der Maximalwert eines der Schwingungsparameter. Bei Schall wird die Amplitude in der Regel mit dem Maximalwert des Luftdrucks oder der Auslenkung angegeben. Die Amplitude steht in direktem Zusammenhang mit der Intensität eines Schalls: Je höher die Amplitude, desto lauter der Schall. Sie ist unabhängig von der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit.
  • Amplitude
  • Lautsprecher - Der Lautsprecher emittiert Longitudinalwellen. Schall wird, wie jede andere Welle, durch Wellenlänge, Frequenz, Wellengeschwindigkeit und Amplitude charakterisiert.

Die Entstehung von Wellen

Eine Welle ist eine Störung, die sich durch ein Medium bewegt. Wellen können sehr unterschiedlich sein, abhängig von den Eigenschaften des Mediums und der Quelle der Störung.

Die einfachste Art von Wellen sind mechanische Wellen, die sich durch verschiedene Gase bewegen, wie z.B. Schallwellen, die sich durch die Luft bewegen. Die Schallquelle bewirkt, dass sich Luftmoleküle in Bewegung setzen. Dann bringen die bereits vibrierenden Moleküle auch ihre Nachbarmoleküle zum Schwingen. Dieser Vorgang wiederholt sich und so pflanzt sich die Schwingung fort.

Ist die Bewegungsrichtung der Teilchen parallel zur Wellenausbreitungsrichtung, ist die Welle eine Längswelle. In der Luft breitet sich Schall immer als Längswelle (auch Longitudinalwelle genannt) aus. Die Luft wird komprimiert und dann verdünnt, sodass sich Wellenfronten bilden. Der Abstand zwischen den Wellenfronten wird als Wellenlänge bezeichnet. Wenn die Wellengeschwindigkeit des Schalls zunimmt, nimmt auch seine Wellenlänge zu.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

  • Wellenfront - Sie besteht aus Teilchen, die in der gleichen Phase schwingen.
  • Wellenlänge (λ) - Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenfronten, ihr Formelzeichen ist λ (Lambda). In der Realität liegt die Wellenlänge des für die meisten Menschen hörbaren Schalls zwischen 16 mm und 16 m und seine Wellengeschwindigkeit beträgt ca. 340 m/s.
  • Teilchen - Die einzelnen Teilchen vibrieren.
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit - Eine Eigenschaft des Mediums selbst; sie entspricht nicht der Geschwindigkeit der Partikel.
  • Frequenz - Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde.
  • Amplitude - Der Maximalwert eines der Schwingungsparameter. Bei Schall wird die Amplitude in der Regel mit dem Maximalwert des Luftdrucks oder der Auslenkung angegeben. Die Amplitude steht in direktem Zusammenhang mit der Intensität eines Schalls: Je höher die Amplitude, desto lauter der Schall. Sie ist unabhängig von der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit.
  • Amplitude
  • Lautsprecher - Der Lautsprecher emittiert Longitudinalwellen. Schall wird, wie jede andere Welle, durch Wellenlänge, Frequenz, Wellengeschwindigkeit und Amplitude charakterisiert.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (oder Wellengeschwindigkeit) ist die Geschwindigkeit, mit der sich Wellenfronten in einem Medium bewegen. Sie entspricht nicht der Geschwindigkeit, mit der sich die Partikel selbst bewegen.

Die Wellengeschwindigkeit hängt vor allem von der Qualität des Mediums ab. Es gibt aber auch andere Faktoren, wie z. B. die Temperatur des Mediums.

In der Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 1.200 km/h bei 0°C. Bei -57°C sind es aber nur etwa 1.060 km/h.
In einem festen Medium kann die Schallgeschwindigkeit viel höher sein.

Frequenz

  • Wellenfront - Sie besteht aus Teilchen, die in der gleichen Phase schwingen.
  • Wellenlänge (λ) - Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenfronten, ihr Formelzeichen ist λ (Lambda). In der Realität liegt die Wellenlänge des für die meisten Menschen hörbaren Schalls zwischen 16 mm und 16 m und seine Wellengeschwindigkeit beträgt ca. 340 m/s.
  • Teilchen - Die einzelnen Teilchen vibrieren.
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit - Eine Eigenschaft des Mediums selbst; sie entspricht nicht der Geschwindigkeit der Partikel.
  • Frequenz - Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde.
  • Amplitude - Der Maximalwert eines der Schwingungsparameter. Bei Schall wird die Amplitude in der Regel mit dem Maximalwert des Luftdrucks oder der Auslenkung angegeben. Die Amplitude steht in direktem Zusammenhang mit der Intensität eines Schalls: Je höher die Amplitude, desto lauter der Schall. Sie ist unabhängig von der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit.
  • Amplitude
  • Lautsprecher - Der Lautsprecher emittiert Longitudinalwellen. Schall wird, wie jede andere Welle, durch Wellenlänge, Frequenz, Wellengeschwindigkeit und Amplitude charakterisiert.

Die Frequenz

Die Anzahl der Wellenfronten, die den Beobachter in einer Sekunde erreicht, wird Frequenz oder Schwingungszahl genannt. Je größer die Frequenz der Schwingungen bei Schallwellen ist, desto höher ist der Ton, den wir hören. Die Frequenz der tiefen Töne ist niedriger.

Die Maßeinheit der Frequenz ist Hertz (Hz). Wenn wir zum Beispiel einen Ton mit einer Frequenz von 1.000 Hz hören, erreichen unsere Ohren 1.000 Wellenfronten pro Sekunde.

Je größer die Ausbreitungsgeschwindigkeit und je kleiner die Wellenlänge ist, desto größer ist die Frequenz.

Der Zusammenhang zwischen den drei Werten kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:
c = f * λ
(wobei c für die Wellengeschwindigkeit, f für die Frequenz und λ für die Wellenlänge steht).

Das menschliche Ohr kann Töne wahrnehmen, deren Frequenz zwischen 20 und 20.000 Hz liegt. Die sehr tiefen Töne unter 20 Hz werden Infraschall, die sehr hohen Töne über 20.000 Hz Ultraschall genannt. Elefanten verwenden Infraschall zur Kommunikation, während Fledermäuse und Delfine Ultraschall zur Orientierung nutzen.

Amplitude

  • Wellenfront - Sie besteht aus Teilchen, die in der gleichen Phase schwingen.
  • Wellenlänge (λ) - Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenfronten, ihr Formelzeichen ist λ (Lambda). In der Realität liegt die Wellenlänge des für die meisten Menschen hörbaren Schalls zwischen 16 mm und 16 m und seine Wellengeschwindigkeit beträgt ca. 340 m/s.
  • Teilchen - Die einzelnen Teilchen vibrieren.
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit - Eine Eigenschaft des Mediums selbst; sie entspricht nicht der Geschwindigkeit der Partikel.
  • Frequenz - Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde.
  • Amplitude - Der Maximalwert eines der Schwingungsparameter. Bei Schall wird die Amplitude in der Regel mit dem Maximalwert des Luftdrucks oder der Auslenkung angegeben. Die Amplitude steht in direktem Zusammenhang mit der Intensität eines Schalls: Je höher die Amplitude, desto lauter der Schall. Sie ist unabhängig von der Frequenz und der Schallgeschwindigkeit.
  • Amplitude
  • Lautsprecher - Der Lautsprecher emittiert Longitudinalwellen. Schall wird, wie jede andere Welle, durch Wellenlänge, Frequenz, Wellengeschwindigkeit und Amplitude charakterisiert.

Die Amplitude

Die wahrgenommene Schallintensität hängt nicht von der Frequenz oder der Ausbreitungsgeschwindigkeit ab. Sie wird durch die Amplitude der Schwingung bestimmt, d. h. durch die maximale Verschiebung der Partikel des Mediums an einem bestimmten Ort.

Bei nichtmechanischen Wellen kann die Amplitude nicht als maximale Verschiebung interpretiert werden, sie bezieht sich also auf den Maximalwert eines anderen Parameters. Bei elektromagnetischen Wellen kann die Amplitude als maximale Feldstärke oder maximale Spannung interpretiert werden.

Wenn die Wellenfronten eine gerade Linie oder eine Ebene bilden, nimmt die Amplitude der Schwingung während der Ausbreitung nicht ab. Im Allgemeinen sind die Wellenfronten jedoch kugelförmig, weshalb sich ihre Energie im Raum immer weiter ausbreitet und ihre Amplitude weiter von der Quelle entfernt abnimmt.

Phase

  • Wellenphasen - Die Phasendifferenz zwischen zwei synchron schwingenden Teilchen ist 0. Bei zwei Teilchen, die sich entgegengesetzt (gegenphasig) bewegen, beträgt die Phasendifferenz 180°.

Die Phase

Die Schwingung ist ein periodischer Prozess, der mit der zyklischen Bewegung in Verbindung gebracht und mit einem Winkel von 0-360° definiert werden kann, wo sich das schwingende Teilchen in einer Periode gerade aufhält. Die Auslenkung des Teilchens hängt im Vergleich zur Gleichgewichtslage von der momentanen Phase ab.

Die in der gleichen Phase schwingenden Teilchen bewegen sich synchron, die Phasendifferenz zwischen ihnen ist 0. Wenn die Phasendifferenz zwischen zwei Teilchen 180° beträgt, bewegen sie sich in entgegengesetzter Richtung (also gegenphasig). Wenn die Phasendifferenz 90° beträgt, so eilt die eine Schwingung der anderen um eine viertel Periode voraus.

Narration

Die Entstehung von Wellen

Eine Welle ist eine Störung, die sich durch ein Medium bewegt. Wellen können sehr unterschiedlich sein, abhängig von den Eigenschaften des Mediums und der Quelle der Störung.

Die einfachste Art von Wellen sind mechanische Wellen, die sich durch verschiedene Gase bewegen, wie z.B. Schallwellen, die sich durch die Luft bewegen. Die Schallquelle bewirkt, dass sich Luftmoleküle in Bewegung setzen. Dann bringen die bereits vibrierenden Moleküle auch ihre Nachbarmoleküle zum Schwingen. Dieser Vorgang wiederholt sich und so pflanzt sich die Schwingung fort.

Ist die Bewegungsrichtung der Teilchen parallel zur Wellenausbreitungsrichtung, ist die Welle eine Längswelle. In der Luft breitet sich Schall immer als Längswelle (auch Longitudinalwelle genannt) aus. Die Luft wird komprimiert und dann verdünnt, sodass sich Wellenfronten bilden. Der Abstand zwischen den Wellenfronten wird als Wellenlänge bezeichnet. Wenn die Wellengeschwindigkeit des Schalls zunimmt, nimmt auch seine Wellenlänge zu.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (oder Wellengeschwindigkeit) ist die Geschwindigkeit, mit der sich Wellenfronten in einem Medium bewegen. Sie entspricht nicht der Geschwindigkeit, mit der sich die Partikel selbst bewegen.

Die Wellengeschwindigkeit hängt vor allem von der Qualität des Mediums ab. Es gibt aber auch andere Faktoren, wie z. B. die Temperatur des Mediums.

In der Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 1.200 km/h bei 0°C. Bei -57°C sind es aber nur etwa 1.060 km/h.
In einem festen Medium kann die Schallgeschwindigkeit viel höher sein.

Die Frequenz

Die Anzahl der Wellenfronten, die den Beobachter in einer Sekunde erreicht, wird Frequenz oder Schwingungszahl genannt. Je größer die Frequenz der Schwingungen bei Schallwellen ist, desto höher ist der Ton, den wir hören. Die Frequenz der tiefen Töne ist niedriger.

Die Maßeinheit der Frequenz ist Hertz (Hz). Wenn wir zum Beispiel einen Ton mit einer Frequenz von 1.000 Hz hören, erreichen unsere Ohren 1.000 Wellenfronten pro Sekunde.

Je größer die Ausbreitungsgeschwindigkeit und je kleiner die Wellenlänge ist, desto größer ist die Frequenz.

Das menschliche Ohr kann Töne wahrnehmen, deren Frequenz zwischen 20 und 20.000 Hz liegt. Die sehr tiefen Töne unter 20 Hz werden Infraschall, die sehr hohen Töne über 20.000 Hz Ultraschall genannt. Elefanten verwenden Infraschall zur Kommunikation, während Fledermäuse und Delfine Ultraschall zur Orientierung nutzen.

Die Amplitude

Die wahrgenommene Schallintensität hängt nicht von der Frequenz oder der Ausbreitungsgeschwindigkeit ab. Sie wird durch die Amplitude der Schwingung bestimmt, d. h. durch die maximale Verschiebung der Partikel des Mediums an einem bestimmten Ort.

Bei nichtmechanischen Wellen kann die Amplitude nicht als maximale Verschiebung interpretiert werden, sie bezieht sich also auf den Maximalwert eines anderen Parameters. Bei elektromagnetischen Wellen kann die Amplitude als maximale Feldstärke oder maximale Spannung interpretiert werden.

Wenn die Wellenfronten eine gerade Linie oder eine Ebene bilden, nimmt die Amplitude der Schwingung während der Ausbreitung nicht ab. Im Allgemeinen sind die Wellenfronten jedoch kugelförmig, weshalb sich ihre Energie im Raum immer weiter ausbreitet und ihre Amplitude weiter von der Quelle entfernt abnimmt.

Die Phase

Die Schwingung ist ein periodischer Prozess, der mit der zyklischen Bewegung in Verbindung gebracht und mit einem Winkel von 0-360° definiert werden kann, wo sich das schwingende Teilchen in einer Periode gerade aufhält. Die Auslenkung des Teilchens hängt im Vergleich zur Gleichgewichtslage von der momentanen Phase ab.

Die in der gleichen Phase schwingenden Teilchen bewegen sich synchron, die Phasendifferenz zwischen ihnen ist 0. Wenn die Phasendifferenz zwischen zwei Teilchen 180° beträgt, bewegen sie sich in entgegengesetzter Richtung (also gegenphasig). Wenn die Phasendifferenz 90° beträgt, so eilt die eine Schwingung der anderen um eine viertel Periode voraus.

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