Physik kurz und bündig

Wirkungsweise der Absorptions-Schalldämpfung

Als weiteres Wirkprinzip der Schalldämmung bzw. der Schalldämpfung ist Ihnen neben der Schallreflexion (62 bis 70) die Schallabsorption bekannt.

Im Wesentlichen beruht die Wirkung von Absorptions-Schall­dämpfern darauf, dass innerhalb der Schalldämpfschicht Schallenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Diese dissipiert (33) anschließend, d.h. sie verflüchtigt sich bzw. wird an die Umgebung abgegeben. Dies gelingt um so besser, je biegeweicher der Dämpfstoff und je größer seine Masse ist. Es gilt somit:

Biegeweiche Dämpfstoffe mit großer Masse haben einen großen Dämpfeffekt.

Da die Schallenergie eine Funktion der Schallschnelle (63) ist – denn die kinetische Energie W (33) ist bekanntlich der Geschwindigkeit proportional (W ~ v²) – kann man sagen, dass überall da, wo die Schallschnelle klein ist, nur wenig Schallenergie in Wärmeenergie umgewandelt werden kann.

Dies ist z. B. unmittelbar vor einer starren Wand, z. B. bei einem verschlossenen Kundt’schen Rohr (69) der Fall. Würde man an dieser Stelle die Oberfläche des Dämpfmaterials hinbringen, wäre der Dämpfungseffekt nur sehr klein, da sich hier die Luftmoleküle nicht bewegen.

Erhöht man den Abstand zur Wand, erhöht sich auch die Schallenergie und damit die Schallschnelle. Es gilt:

Die Schallschnelle v hat im Abstand einer viertel Wellenlänge l/4 von der Wand (vom festen Ende) ihr Maximum.

 
Aus dieser Tatsache folgt unmittelbar:

Ein Absorptionsschalldämpfer hat bei einer Absorberdicke, die einer viertel Wellenlänge entspricht (l/4), sein größtes Dämpfungsvermögen.

Absorptionsschalldämpfer wirken also nur optimal, wenn die Oberfläche derselben einen bestimmten Abstand zur Wand, nämlich l/4 hat (Bild 1). Bei einer Frequenz von 1000 Hz sind dies ca. 8 cm, bei einer Frequenz von 100 Hz bereits 80 cm.

Absorptions-Schalldämpfstoffe

Es wurde bereits erwähnt, dass der größte Dämpfeffekt mit biegeweichen Dämpfstoffen z. B. mit Blei, oder mit speziell entwickelten Kunststoffen erzielt wird. In Bild 1 ist die Abhängigkeit des Schalldämm-Maßes R von der flächenbezogenen Masse m‘ für einen typischen Absorptions-Schalldämpfstoff dargestellt.

Solche Kurven der Dämpfcharakteristik, die von den Herstellern der Dämpfstoffe zu erhalten sind, bilden die Grundlage zur Berechnung von Absorptionsschalldämpfern.
Die Grafik auf der nächsten Seite fasst nochmals die Schallschutzmaßnahmen zusammen. Sie gibt auch einige Formeln zur Berechnung des Schalldämm-Maßes R an. Die in diesen Formeln verwendeten Größen sind in einer Legende aufgezählt und wurden bereits in früheren Beiträgen (62, 63, 65, 67, 68) erläutert.

Definition von Infra-, Ultra- und Hyperschall

Bereits im Beitrag 63 wurde im Zusammenhang mit der Hörfläche festgestellt, dass der hörbare Schall von einer unteren Frequenz von ca. 16 Hz und einer oberen Frequenz von ca. 16 000 Hz begrenzt wird. Hörbarer Schall ist somit nur ein Teil des gesamten Schallspektums.

Üblich – und in Ergänzung von Beitrag 63 – ist die in Bild 2 abgebildete Einteilung.

Infraschall tritt besonders bei Erdbebenwellen auf und hat kaum eine technische Bedeutung. Der hörbare Schall wurde in den Beiträgen 62 bis 70 in seinen Ursachen und Wirkungen ausführlich besprochen, während dieser Beitrag 71 und der nächste Beitrag 72 (dies wird dann auch der letzte Beitrag in der Serie „Physik kurz und bündig“ sein) Aussagen über den Ultraschall machen. In diesem Schallbereich können zwischen 20·10³ Hz und 10¹⁰ Hz vorkommen. Dieser für den Ultraschall genannte Frequenzbereich hat eine große Bedeutung in Technik und Naturwissenschaften erlangt.

Die Bedeutung des Hyperschalls mit seinem Frequenzbereich von10¹⁰ Hz bis 10¹³ Hz ist hingegen vergleichsweise klein. Es soll hier lediglich eine Aussage über die obere Frequenzbegrenzung 10¹³ Hz gemacht werden. Diese Grenzfrequenz wird nach dem niederländischen Physiker Peter Debye (1884 bis 1966) Debye-Frequenz genannt.

Diese lässt sich damit begründen, dass bei elastischen Festkörperschwingungen die Wellenlänge nicht kleiner als der doppelte Atomabstand sein kann. Dieser Atomabstand wird als Gitterkonstante (2,13) bezeichnet.

Das Schallspektrum ist nach oben durch die Frequenz f ≈ 10¹³ Hz begrenzt.

Erzeugung von Ultraschall

Prinzipiell wird Ultraschall auf dem gleichen Weg erzeugt wie hörbarer Schall, nämlich durch die Schwingungsanregung fester Körper (Stäbe, Saiten, Platten) oder gasförmiger Säulen. Diese gegenüber dem hörbaren Schall höherfrequenten Schwingungen werden – ebenso wie beim hörbaren Schall – auf das die Ultraschallquelle umgebende Medium übertragen.

Man unterscheidet bei der Ultraschall-Erzeugung die mechanischen, die elektrischen und die thermischen Verfahren. Bei der mechanischen Ultraschallerzeugung wurden früher kleine Stimmgabeln mit hohen Eigenfrequenzen oder auch entsprechende Schwingplatten verwendet. Heute wird meist die Galton-Pfeife (Bild 3) oder der Hartmann Generator verwendet. Bei der Galton-Pfeife wird Luft mit hoher Geschwindigkeit aus einer kreisförmigen Düse gegen eine Scheibe gleichen Durchmessers d geblasen. Die dabei an der Schneide entstehenden Luftwirbel regen das Luftvolumen V zu Eigenschwingungen an. Durch einen verschiebbaren Kolben kann dieses Luftvolumen und damit die Frequenz f verändert werden. Mit Ultraschallsirenen werden Schallleistungen von mehr als 200 Watt erzielt. Bei solchen Schallleistungen entzündet sich in den Schallstrahl gebrachte Watte.

Bei der thermischen Ultraschallerzeugung, die aber heute kaum noch eine technische Bedeutung hat, wird einem Gleichstrom-Lichtbogen ein Wechselstrom mit der Frequenz des gewünschten Ultraschalls überlagert. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeentwicklung im Lichtbogen mit dem Takte der überlagerten Frequenz geändert wird, was auch die Änderung des umgebenden Luftvolumens in dieser Frequenz auslöst. Dadurch entsteht der gewünschte Ultraschall.

Die heute größte technische Bedeutung haben die Verfahren der elektrischen Ultraschallerzeugung, und zwar sind dies die magnetostriktiven Schallgeber und die piezoelektrischen Schallgeber. Bei den magnetostriktiven Schwingern, mit einer Frequenz bis zu 300 kHz, wird ein Nickelstab in ein starkes magnetisches Wechselfeld gebracht, dessen Frequenz gleich der Eigenfrequenz des Nickelstabes ist. Unter dem Einfluss der Feldänderungen gerät der Nickelstab in Schwingungen, und zwar im Frequenzbereich des Ultraschalls. Diese werden auf die Umgebung des Stabes übertragen, wodurch der Ultraschall erzeugt wird. Bei den piezoelektrischen Schwingern werden Schwingquarze angeregt,  deren Frequenz  bei 1 mm Plattendicke 3 MHz beträgt. Dies ist die sogenannte Grunddickenschwingung. Zur Erzeugung noch höherer Frequenzen regt man die Quarzplatten zu den sogenannten Oberschwingungen an.

Wirkungen von Ultraschall

Durch akustische Linsen kann Ultraschall gebündelt werden, und zwar in Analogie zum hörbaren Schall. Durch eine solche Schallbündelung lassen sich Schallintensitäten von einigen 100 W/m² erreichen. Hierauf lassen sich vielfältige Anwendungen des Ultraschalls zurückführen. Einige Beispiele sind in der obigen Tabelle zusammengefasst.

Im nächsten Beitrag 72, der nach 12 Jahren zugleich der letzte Beitrag ist, geht es um Anwendungen des Ultraschalls in Technik und Naturwissenschaften.

Damit sind die meisten aus kälte- und klimatechnischer Sicht wichtigen Begriffe der Physik in unserer Serie „Physik kurz und bündig“ angesprochen worden. Aus dem über die Jahre geführten Sachwortverzeichnis ergeben sich etwa 1200 Begriffe. Berücksichtigt man noch die schätzungsweise 800 Begriffe aus dem Bereich der Elektrotechnik, dann ergibt sich am Ende unserer Betrachtungen eine – etwas mutige – zusammenfassende Feststellung:

In der Kälte- und Klimatechnik sind etwa 2000 Begriffe aus der Physik und der Physik nahestehender Bereiche der Naturwissenschaftlichen relevant!!

Bilder und Daten aus Horst Herr:

„Tabellenbuch Wärme ∙ Kälte ∙ Klima“

Verlag Europa-Lehrmittel (Nr.1731 X)

„Schwingungen und      Wellen“ (Nr. 5181 X)

„Technische Physik“ (Nr. 5231 X)