Table Of ContentMeyer/Neumann
Physikalische
und Technische Akustik
Schwingungsphysik
Herausgeber: Prof. Dr. Erwin Meyer
Meyer I Guicking
Schwingungslehre
Meyer I Neumann
Physikalische und Technische Akustik
Meyer I Zimmermann
Elektronische Meßtechnik
Meyer I Pottel
Physikalische Grundlagen der Hochfrequenztechnik
Erwin Meyer
Ernst-Gearg Neumann
Physikalische
und Technische Akustik
Eine Einführung mit zahlreichen
Versuchsbeschreibungen
3., neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 280 Bildern
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Dr. phil. Dr.-lng. E.h.ErwinMeyerwar Ordentlicher Professor
an der Universitiit Gottingen. Er verstarb 1972.
Dr. rer. nat. Ernst-Georg Neumann ist Professor fur allgemeine
und theoretische Elektrotechnik an der Gesamthochschule
Wuppertal
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Schwingungsphysik 1H rsg.: Erwin Meyer.
Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg.
NE: Meyer, Erwin [Hrsg.)
-+ Meyer, Erwin: Physikalische und tecHnische Akustik
Meyer, Erwin:
Physikalische und technische Akustik: e. Einf. mit
zahlr. Versuchsbeschreibungen 1E rwin Meyer;
Ernst-Georg Neumann. - 3., neubearb. u. erw. Aufl. -
(Schwingungsphysik)
ISBN 978-3-528-28255-4 ISBN 978-3-663-13982-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-13982-9
NE: Neumann, Ernst-Georg:
1. Auflage 1967
2., berichtigte und erweiterte Auflage 1974
Nachdruck 1975
3., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1979
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1979
Urspriinglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1979
Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1979
Die Vervielfăltigung und Ubertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder,
auch flir Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit
dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall m~ iiber die Zahlung einer Gebiihr
flir die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt flir die Verviel
faltigung durch alle Verfahren einschli~lich Speicherung und jede Obertragung auf Pa pier,
Transparente, Filme, Bănder, Platten und andere Medien.
Satz: Vieweg, Braunschweig
Buchbinder: W. Langeliiddecke, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Peter Morys, Wolfenbiittel
ISBN 978-3-528-28255-4
V
Vorwort zur 1. Auflage
Das vorliegende Buch ,,Physikalische und Technische Akustik" gehört zu einer Buchreihe
"Schwingungsphysik", die aus einer viersemestrigen Experimentalvorlesung über das gleiche
Thema hervorgegangen ist. Die anderen drei in Bearbeitung befmdlichen Teile der Reihe
sind: "Schwingungslehre", ,,Elektronische Meßtechnik" und ,,Physikalische Grundlagen
der Hochfrequenztechnik".
In dieser Buchreihe werden in moderner Form mechanische, akustische und elektrische
Schwingungen und Wellen in allen heute vorkommenden Frequenzbereichen einheitlich
und gleichmäßig nebeneinander behandelt. Ein Kennzeichen der Vorlesungen und damit
der Buchreihe bildet die Betonung der mechanisch-elektrischen bzw. akustisch-elektrischen
Analogien, die auf gemeinsamen theoretischen Zusammenhängen beruhen und die zu ähn
lichen Ergebnissen auf den verschiedenen Gebieten führen. Gerade das Hervorheben des Ver
bindenden scheint uns in der heutigen Zeit, in der ohnehin die einzelnen Fachrichtungen
mehr und mehr auseinanderstreben, von großer fachlicher wie didaktischer Bedeutung zu
sein; damit werden leicht merkbare physikalische bzw. technische Prinzipien herausgestellt,
die in einem weiten Bereich Geltung haben.
Das vorliegende Buch gibt einen Überblick über die gesamte Akustik; dementsprechend
wechseln theoretische, experimentelle und anwendungstechnische Teile miteinander ab. An
Kenntnissen werden dabei einerseits die Grundlagen der Experimentalphysik, andererseits
die Elemente der Differential-und Integralrechnung bzw. der Differentialgleichungen voraus
gesetzt. Wenn irgend möglich, werden verwickelte theoretische Darlegungen zugunsten an
schaulicher Erklärungen vermieden. Diskussionen zur Anwendungstechnik nehmen einen
breiten Raum ein. Das Gewicht der Darstellung liegt auf der experimentellen Seite.
Dieses Buch (ebenso wie die anderen drei Bücher der Reihe) beschreibt viele Demonstrations
experimente, die auch in ihrer niedergeschriebenen Form dafür gedacht sind, denjeweils
vorangehenden Text anschaulich zu unterstützen. Darüber hinaus bilden sie die Grundlage
ftir manche quantitativen Versuche zur Bestimmung akustischer Größen; sie sind auch zum
Gebrauch ftir Übungen, Praktika oder in Meßlaboratorien geeignet.
Die angegebenen Versuche sind teilweise vorlesungstechnisch recht "perfektioniert", trotz
dem ist immer das Bestreben vorhanden, den wesentlichen Inhalt des Experiments nicht
durch die Demonstrationstechnik zu verdecken. So wird z.B. der Frequenzgallg einer Größe
durch automatische Frequenzvariation und Registrierung aufgenommen oder eine Richt
charakteristik zeichnet sich selbsttätig auf, im Hörsaal meist unter Benützung eines Speicher
oszillografen und einer nachfolgenden Fernsehanlage. Selbstverständlich lassen sich solche
Versuche auch mit geringerem Geräteaufwand durchführen.
Die Versuchsresultate werden zur Erläuterung des Textes anstelle von Zeichnungen benutzt,
um damit gleichzeitig einen Eindruck von der Brauchbarkeit des Experiments oder auch von
vorhandenen Unzulänglichkeiten zu vermitteln. Die Beschreibung der Versuche geht in den
wichtigen Punkten so weit, daß ihre Wiederholung gut möglich sein dürfte.
Wenn es zweckmäßig erscheint, wirdjeweils im Anschluß an die ,,mechanisch-akustische"
Demonstration das analoge "elektrische" Experiment angefügt.
Der Stoff des Buches ist umfangreich. So ist es kein Wunder, daß über seine einzelnen Kapi
tel jeweils Monografien existieren. Die Stoffauswahl war daher in gewissem Grade willkür
lich, sie ist eine Sache des Geschmacks und der praktischen Erfahrung im Unterrichtsbetrieb.
VI Vorwort
Das gleiche gilt auch für Umfang und Reihenfolge der einzelnen Kapitel. Wie in Lehrbüchern
üblich, wurde weitgehend davon Abstand genommen, die vielen Autorennamen zu erwähnen,
die zu den beschriebenen Sachverhalten und Erkenntnissen, zu Geräten, zu quantitativen
Messungen etc. gehören. Manche Abbildung konnte dankenswerterweise der vorhandenen
Literatur entnommen werden.
Noch ein Wort zur Frage der Bezeichnung der Formelgrößen und der Einheiten. Hier wur
den weitgehend die z.Z. gültigen Normen und Empfehlungen zugrunde gelegt.
Wie schon erwähnt, hat das Buch seinen Ursprung in einem Zyklus von Experimentalvor
lesungen, die der eine der beiden Autoren zwei Jahrzehnte lang im III. Physikalischen Insti
tut der Universität Göttingen gehalten hat. Um derartige Vorlesungen aufzubauen, bedarf
es einer sachkundigen und interessierten Unterstützung durch die entsprechenden Instituts
werkstätten. Wir waren in der glücklichen Lage, in Herrn Rundfunkmechanikermeister
H. Henze einen unermüdlichen Mitarbeiter voller technischer Einfälle und voller Liebe zur
Sache zur Verfügung zu haben. Ihm gilt also unser besonderer Dank; aber auch manche
andere Mitarbeiter des Instituts wie Herr W. Ehrecht haben viel geholfen. Aus den Kreisen
der wissenschaftlichen Dozenten und Assistenten kamen im Laufe der Jahre immer neue
Anregungen, das "Versuchs-Repertoire" zu verbessern oder zu ergänzen.
Herr Univ.-Doz. Dr. H. Kuttruffhat das Manuskript mit großer Sorgfalt gelesen und manche
wichtigen Korrekturen angeregt; aber auch die Herren Dr. P. Damaske, Dr. D. Guicking,
Dr. K. G. Plaß und Dr. A. Zasel haben uns beim Korrekturlesen unterstützt. Ihnen allen
dürfen wir herzlich danken.
Abschließend möchten wir unseren besonderen Dank noch dem Verlag zum Ausdruck
bringen, nicht nur für die vortreffliche Ausstattung des preiswert gehaltenen Buches, son
dern auch für das verständnisvolle Eingehen auf unsere mannigfachen Wünsche bei seiner
Herstellung.
Göttingen
ErwinMeyer Ernst-Gearg Neumann
Vorwort zur 2. Auflage
In der vorliegenden 2. Auflage sind Druckfehler verbessert, einige Oszillogramme deutlicher
gemacht und wenige die Zeilenzahl des Satzes nicht verändernde Korrekturen vorgenommen
worden.
Gegenüber der 1. Auflage wurden jedoch am Schluß des Textes zwei neue Kapitel angefügt,
um der modernen Entwicklung von zwei akustischen Teilgebieten Rechnung zu tragen. Das
neue KapitellObehandelt die in den letzten Jahren aktuell gewordenen Verfahren zur Er
zeugung und zum Nachweis von höchstfrequenten Phononen durch Quantenprozesse. Im
zusätzlichen Kapitell! wird ein Überblick über das besonders für die technische Lärmab
wehr wichtige Gebiet der Strömungsakustik gegeben.
Den Herren Dr. K. Laßmann und Dr. D. Ranneberger sind wir ftir Ratschläge bei der Ab
fassung der beiden hinzugekommenen Kapitel zu Dank verpflichtet.
Bochum, im Juli 1973
Ernst-Gearg Neumann
Vorwort VII
Vorwort zur 3. Auflage
In die 2. Auflage waren die Abschnitte 10 und 11 über Quanten-und Strömungsakustik
neu aufgenommen worden, während der Satz der Abschnitte 1 bis 9 im wesentlichen unver
ändert geblieben war. Demgegenüber sind in der vorliegenden 3. Auflage sämtliche Kapitel
überarbeitet und ergänzt worden. Der Stoff der englischen Ausgabe (Academic-Press 1972)
ist nunmehr in der 3. deutschen Auflage vollständig enthalten. Erwin Meyer sammelte bis
zu seinem Tode Material für eine Neuauflage; die meisten seiner Anregungen habe ich be
rücksichtigt. Viele nützliche Hinweise verdanke ich Fachkollegen, insbesondere den Herren
Prof. Dr. W. Eisenmenger, Dr. D. Gottlob, Dr. D. Guicking, Dr. R. von Klot, Prof. Dr. H.
Kuttruff. Prof. Dr. W. Lauterborn, Prof. Dr. R. Potte/, Dr. D. Ronneberger, Prof. Dr. G. M.
Sesster und Dr. H. W. Strube.
Die Auswahl des Stoffes der ersten beiden Auflagen hatte Erwin Meyer aus seiner langen
Lehrerfahrung heraus getroffen. Um den Charakter des Buches zu erhalten, habe ich in der
dritten Auflage bewußt nur wenige Kürzungen vorgenommen und versucht, bei neuem
Stoff den physikalischen Kern herauszuheben. Manche Anregung habe ich nicht aufge
nommen, weil sie mir für ein einführendes Lehrbuch zu speziell erschien. Einige Stichworte
sollen einen Eindruck von der Art der vorgenommenen Ergänzungen geben: Prismenkoppler,
Wellentypumwandlung bei Reflexion, Verfahren der integrierten Impulsantwort, optische
Kavitation, holografische Interferometrie, Schallemissionsanalyse, Sprechererkennung,
Nachhallfolie, Elektretwandler, Brennkammerschwingungen, Phononenspektroskopie ...
In der neuen Auflage werden die neuen gesetzlichen Maßeinheiten verwendet.
Den Herren Dipl.-Phys. R. Ger/ach, Dr. D. Gottl ob, Dr. D. Guicking, Prof. Dr. W. Lauter
born, Dr. D. Ranneberger und Dr. H. W. Strube danke ich sehr für die Durchsicht des Skrip
tes für die 3. Auflage.
Wuppertal, im September 1978
Ernst-Georg Neumann
VIII
Inhaltsverzeichnis,
1 Theorie der Schallfelder
1.1 Schall in Flüssigkeiten und Gasen
1.1.1 Die drei Grundgleichungen
1.1.2 Ebene Wellen ..... 4
1.1.3 Der Wellenwiderstand 6
1.1.4 Kugelwellen ... 10
1.2 Schall in porösen Stoffen . . . 11
1.3 Schall in festen Körpern . . .. 15
1.3 .1 Dichte-und Schubwellen im unendlich ausgedehnten Festkörper 15
1.3.2 Dehn-, Torsions-und Biegewellen im begrenzten Festkörper 17
1.3.3 Rayleighwellen an der Oberfläche von Festkörpern 22
1.4 Leitungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.1 Die Leitungsgleichungen .................... . 28
1.4.2 Stehende Wellen in einem schallhart abge,chlos,enen Rohr . 30
1.4.3 Stehende Wellen in einem offenen Rohr ........ . 32
1.4.4 Reflexion an einer Wand endlicher Impedanz ..... . 34
1.4.5 Versuche zu den stehenden Wellen und zur Reflexion . 37
1.4.6 Resonanz einer akustischen Rohrleitung 40
1.5 Schalldurchgang durch Wände ............. . 42
1.5 .1 Das Massegesetz ................ . 42
1.5 .2 Der Spuranpassungseffekt (Koinzidenzeffekt) 44
1.5 .3 Die Doppelwand . . . . . . . . . 45
1.5.4 Versuche zur Schalldämmung ....... . 46
1.6 Schallbeugung und Schallstreuung . . . . . . . . . . 47
1.7 Reflexion und Brechung bei schrägem Schalleinfall 49
2 Raumakustik
2.1 Wellentheoretische Raumakustik ........................ . 53
2.1.1 Eigenschwingungen und Resonanzfrequenzen eines Quaderraumes 53
2.1.2 Kundtsches Rohr und Flachraum 61
2 .1.3 Flachtank und Hohlleiter 62
2.2 Statistische Raumakustik ......... . 65
2.2.1 Der Nachhall ........... . 65
2.2.2 Die optimale Nachhallzeit eines Raumes 70
2.2 .3 Messung des Schallabsorptionsgrades . 72
2.2.4 Stationäre Energiedichte 73
2.2.5 Schallabsorber ..... 74
2.2 .6 Diffuse Schallreflexion . 78
2.3 Geometrische Raumakustik .... 80
2.3.1 Schallrückwürfe von den Raumwänden 80
2.3.2 Das Flatterecho ............. . 82
Inhaltsverzeichnis IX
3 Dämpfung von Schall
3.1 Schallabsorption in Gasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ . 84
3.1.1 Klassische Absorption durch innere Reibung und Wärmeleitung 84
3.1.2 Molekulare Schallabsorption ..... . 85
3.1.3 Weitere Absorptionsursachen in Gasen 90
3.2 Schallabsorption in Flüssigkeiten . . . 91
3.2.1 Molekulare Absorption ... 91
3.2.2 Absorption durch Gasblasen 92
3.3 Schallabsorption an Wänden . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . 93
3.3.1 Die Zähigkeitsgrenzschicht .................... . 93
3.3.2 Demonstration der Teilchenbewegung in der Nähe einer Wand . 94
3.3.3 Schalldämpfung in Rohren .................... . 96
4 Nichtlineare Effekte
4.1 Der Rayleighsche Schallstrahlungsdruck. 101
4 .2 Der Langevinsche Schallstrahlungsdruck 103
4.3 Das Schallradiometer ........ . 104
4.4 Der Ultraschallsprudel . . . . . . . 105
4.5 Strahlungskraft von Saitenwellen ... 106
4.6 Kavitation .... 107
4.7 Der Quarzwind 110
4.8 Stoßwellen ... 111
5 Schallabstrahlung und Schallempfang
5.1 Kolbenstrahler in einem Rohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 Kugelstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5 .2.1 Strahlungswiderstand und mitschwingende Mediummasse 117
5.2.2 Die Knallwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.3 Schwingungen einer Luftblase in Wasser. . . . 120
5.2.4 Schwingungen eines Hohlraumes in Gummi. . 121
5.2.5 Schwingungen eines Tropfens. . . . . . 123
5.3 Kolbenstrahler in einer unendlich großen Wand 124
5.4 Trichterstrahler . . . . . . . . . 126
5 .4 .1 Theorie des Trichters . . . . . . . . . . 126
5 .4.2 Die Druckkammer . . . . . . . . . . . . 131
5 .5 Richtwirkung von elementaren Schallstrahlern . 13 2
5.6 Richtwirkung von Strahlergruppen. . . . . . . . 137
5 .6 .1 Die lineare Strahlergruppe . . . . . . . . 13 7
5 .6.2 Elektrische Schwenkung der Richtcharakteristik . 141
5.6.3 Unterdrücken von Nebenmaxima und Aufflillen von Nullstellen des
Richtdiagrammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.6.4 Die Dipolzeile als elektromagnetisches Analogen der Lautsprecherzeile 143
5.7 Das Schallfeld der kreisförmigen Kolbenmembran . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5. 7.1 Der Schalldruck auf der Mittelsenkrechten der kreisförmigen Kolben-
membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5. 7.2 Das Nahfeld der kreisförmigen Kolbenmembran . 14 7
5.7 .3 Das Fernfeld der kreisförmigen Kolbenmembran. 151
5.8 Vergleich der Peilschärfen verschiedener Richtstrahler 152
5.9 Schallabstrahlung von Biegewellen aufPlatten . . . . . . . 153
