Akustik

De akustik (av grekiska ἀκούειν (uttalas "akuein"), hör "eller akoustikós , hörsel om) är läran om ljud och dess utbredning. Inom vetenskapsområdet ingår en mängd relaterade aspekter, såsom ursprung och generation, förökning, påverkan och analys av ljud, dess uppfattning av örat och effekten på människor och djur. Akustik är ett tvärvetenskapligt ämne som bygger på kunskap från många specialområden, inklusive fysik , psykologi , kommunikationsteknik och materialvetenskap . Akustik är också (suddig) uppdelad i tre delområden:

De viktigaste tillämpningarna av akustik inkluderar forskning om och minskning av buller , strävan efter att skapa ett trevligt ljud eller att överföra akustisk information som en ton . Dessutom är användningen av ljud för diagnos eller för tekniska ändamål en viktig tillämpning av akustik.

historia

Den första systematiska upptagningen med akustik var införandet av tonsystem och stämningar i musik under det tredje årtusendet f.Kr. I Kina . Från den västerländska antiken har en vetenskaplig studie av akustik lämnats av bland andra Pythagoras of Samos (ca 570–510 f.Kr.), som matematiskt analyserade sambandet mellan stränglängd och tonhöjd i monokordet , några av resultaten tillskrivna honom, som Pythagoras i smeden , men är mer av en legend. Chrysippos of Soli (281–208 f.Kr.) kände igen ljudets vågkaraktär genom att jämföra det med vågor på vattenytan. Den romerska arkitekten Vitruvius (ca 80-10 f.Kr.) analyserade ljudutbredningen i amfiteatrarna och antog utbredningen av ljudet som en sfärisk våg . Han beskrev också verkningssättet för Helmholtz-resonatorer för absorption av lågfrekvent ljud.

Helmholtz-resonator av mässing från ca 1900

Leonardo da Vinci (1452–1519) erkände bland annat att luft är nödvändigt som ett medium för att ljud ska sprida sig och att ljudet sprids i en ändlig hastighet. Av Marin Mersenne (1588-1648), bland andra vetenskapliga rön om ljudets natur och den första indikationen härrör från en experimentellt bestämd ljudhastighet . Galileo Galilei (1564–1642) beskrev förhållandet mellan tonhöjd och frekvens, vilket är viktigt för akustiken . Joseph Sauveur (1653–1716) introducerade termen ”akustik” för ljudteorin. Isaac Newton (1643–1727) var den första som beräknade ljudets hastighet utifrån teoretiska överväganden, medan Leonhard Euler (1707–1783) hittade en vågekvation för ljud i den form som används idag. Ernst Florens Friedrich Chladni (1756–1827) anses vara grundaren av modern experimentell akustik; han hittade de chladniska ljudfigurerna , som gör att plattorna naturliga vibrationer syns.

I början av 1800-talet började en intensiv sysselsättning med akustik och många forskare ägde sig åt ämnet. Till exempel fann Pierre-Simon Laplace (1749–1827) ljudets adiabatiska beteende, Georg Simon Ohm (1789–1854) postulerade hörselns förmåga att bryta ner ljud till grundläggande toner och övertoner, och Hermann von Helmholtz (1821– 1894) undersökt tonuppfattning beskrev Helmholtz-resonatorn och John William Strutt, 3: e baron Rayleigh (1842-1919) publicerade "Theory of Sound" med många matematiskt baserade resultat relaterade till ljud, dess ursprung och förökning.

Under andra hälften av 1800-talet utvecklades de första akustiska mät- och inspelningsanordningarna, fontaografen av Édouard-Léon Scott de Martinville (1817-1897) och senare fonografen av Thomas Alva Edison (1847-1931). August Kundt (1839–1894) utvecklade Kundt-röret och använde det för att mäta graden av ljudabsorption .

Från början av 1900-talet användes den befintliga teoretiska kunskapen om akustik i stor utsträckning. Således utvecklades den vetenskapliga rumakustiken , grundad av Wallace Clement Sabine , i syfte att förbättra rums hörbarhet. Uppfinningen av elektronröret 1907 möjliggjorde en utbredd användning av elektroakustisk överföringsteknik. Paul Langevin (1872–1946) använde ultraljud för teknisk placering av föremål under vatten ( ekolod ). Heinrich Barkhausen (1881–1956) uppfann den första enheten för mätning av volym . Vetenskapliga tidskrifter har publicerats sedan omkring 1930 som uteslutande ägnas åt ämnen relaterade till akustik.

En av de viktigaste akustikapplikationerna under första hälften av 1900-talet var minskningen av buller, till exempel förbättrades ljuddämparen för avgassystemet i motorfordon kontinuerligt. Med introduktionen av jetmotorer runt 1950 och den brusreducering som krävs för framgångsrik användning utvecklades aeroacoustics , som i huvudsak grundades av Michael James Lighthills arbete (1924–1998).

Delområden

Ljuddämpare på en bil

Ett stort antal olika aspekter behandlas inom akustiken:

analytiska metoder

Frekvensanalys

Förutom betraktandet av tidsgenomsnittligt ljudfält och ljudenergimängder mäts ofta den temporala avböjningen , t.ex. B. den trycksignalen, och utsattes för en frekvensanalys. För förhållandet mellan frekvensspektret som erhålls på detta sätt och ljudet, se ljudspektrum . Den tidsmässiga förändringen inom en ljudhändelse är tillgänglig genom kortsiktig Fourier-transformation . Förändringarna i spektrumet under processen för ljudstrålning, utbredning och mätning eller uppfattning beskrivs av respektive frekvensrespons . Frekvensviktkurvor tar hänsyn till öratets frekvensrespons .

Resonansanalys

Den akustiska resonansanalysen utvärderar de resulterande resonansfrekvenserna när en kropp sätts i svängning genom en impulsiv excitation såsom ett slag . Om kroppen är ett oscillerande system så att det är specifikt för en viss period av karakteristiska frekvenser, vibrerar kroppen i de så kallade naturliga egenskaperna eller resonansfrekvenserna - korta resonanser.

Orderanalys

Vid orderanalys analyseras ljud eller vibrationer från roterande maskiner, i motsats till frekvensanalys ritas inte ljudinnehållet i mot frekvensen utan mot ordningen. Ordern motsvarar en multipel av hastigheten.

Laboratorier

Rum för lågreflektion (fritt fältrum) i TU Dresden - total volym 1000 m 3

Rum med låg reflektion

Ett anekoiskt rum , ibland felaktigt kallat ett "anekoiskt" rum, har absorptionsmaterial i tak och väggar så att endast minimala reflektioner uppstår och förhållanden som i ett direkt fält D (fritt fält eller fritt ljudfält) råder, med ljudtrycket vid 1 / r minskar lagen om avstånd från en punktkälla för ljud. Sådana rum är lämpliga för röstinspelningar och för försök att lokalisera ljudkällor. Om ljudintensiteten som passerar vertikalt genom denna yta mäts på en tänkt hölje runt ljudkällan , den ljudeffekt av kan källan vara bestämda. Ett rum med lågreflektion med ett ljudreflekterande golv kallas ett semi-fritt fältrum intill fritt fältrum.

Öppet utrymme

Ett fritt fältrum är den speciella utformningen av ett anekiskt rum. Här är dock golvet också täckt med absorberande material. Eftersom golvet inte längre kan gå på som ett resultat av denna åtgärd placeras vanligtvis ett ljudgenomsläppligt galler över det, vilket möjliggör åtkomst till mätobjektet. Sådana rum används i akustisk mätteknik för att kunna genomföra riktade ljudkällanalyser - även under mätobjektet.

Efterklangsrum

Hall of the TU Dresden

Ett efterklangsrum är däremot konstruerat på ett sådant sätt att reflektioner av samma storlek från alla håll sammansätts när som helst i ljudfältet. I en idealisk efterklang rum, med undantag av området direkt runt ljudkällan (se efterklang radie ), samma ljudtrycks friheter dominerar på varje plats. Ett sådant ljudfält kallas ett diffust fält . Eftersom ljudstrålarna inträffar från alla håll samtidigt, finns det ingen ljudintensitet i ett diffust fält. För att undvika resonans i ett efterklangsrum är det vanligtvis byggt utan väggar och tak som är parallella med varandra. I rummet kan kalibreras med hjälp av efterklangstidsmätningar eller referensljudkällor . Här bestäms skillnaden mellan ljudtrycksnivån mätt på vilken plats som helst i rummet, tillräckligt långt utanför efterklangsradien, och ljudeffektnivån för en ljudkälla. Denna skillnad är frekvensberoende och förblir oförändrad så länge som rummets struktur och väggens absorptionsgrad inte ändras. I ett efterklangsrum kan ljudkraften hos en källa därför teoretiskt bestämmas med en enda ljudtrycksmätning. Detta är t.ex. B. mycket användbart för frågor inom ljudisolering .

Akustik i naturen

Akustik i levande saker

De flesta av de högre djuren har en känsla av hörsel . Ljud är en viktig kommunikationskanal eftersom det har en praktiskt taget omedelbar effekt på avstånd . Med vokalisering får djuren ett sätt att markera sitt territorium , söka efter partners eller förpackningar , hitta byten och kommunicera stämningar, varningssignaler etc. Det mänskliga hörselområdet ligger mellan hörtröskeln och smärtgränsen (ca 0 dB HL till 110 dB HL).

Fonologi

När generera ljud i samband med fonologi, en är distinktion allmänhet görs mellan tonande och tonlösa fonemen . Med de röstade fonemen, som kallas vokaler , genereras de "råa" ljuden i struphuvudet genom vibrationer från stämbanden , som sedan moduleras i struphuvudet och näshålan av olika godtyckligt inflytbara eller oföränderliga individuella specifika resonansutrymmen . I röstfria fonem är konsonanterna , stämbanden vilade, ljudet skapas genom att modulera luftflödet. I viska , är även de vokaler endast bildas genom modulering av spektrumet för den bullret från en forcerad luftström, med stämbanden vilar.

Yrkesutbildning

Akustikproffs kallas akustiker eller akustikingenjörer. De engelska jobbet är akustikingenjör eller akustiker. Det vanliga tillvägagångssättet för detta arbetsområde är en examen i fysik eller motsvarande ingenjörsexamen. Hörapparatakustiker arbetar inom medicinteknik och använder både fysisk och medicinsk expertis i sitt yrke.

litteratur

  • Friedrich Zamminer: Musik och musikinstrument i deras förhållande till akustiklagarna . Ricker, 1855. Online
  • Wilhelm von Zahn : Om den akustiska analysen av sångljud (= Thomas-skolans program i Leipzig 1871). A. Edelmann, Leipzig 1871.
  • Dieter Ullmann: Chladni och utvecklingen av akustik från 1750-1860 . Birkhäuser, Basel 1996, ISBN 3-7643-5398-8 (Science Networks Historical Studies 19).
  • Hans Breuer: dtv-Atlas Physik, Volym 1. Mekanik, akustik, termodynamik, optik . dtv-Verlag, München 1996, ISBN 3-423-03226-X .
  • Heinrich Kuttruff: akustik . Hirzel, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8 .
  • Gerhard Müller och Michael Möser: Pocketbok för teknisk akustik . 3. Utgåva. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-41242-5 .
  • Ivar Veit: Teknisk akustik . Vogel-Verlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3013-2 .
  • Jens Ulrich och Eckhard Hoffmann: Hearing Acoustics - Theory and Practice . DOZ-Verlag, 2007, ISBN 978-3-922269-80-9 .

webb-länkar

Commons : Akustik  - samling av bilder, videor och ljudfiler
Wiktionary: Akustik  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar
Wikibooks: Grunderna i akustik  - lärande och läromedel

Individuella bevis

  1. ^ H. Backhaus: Akustik (Handbook of Physics, Volym 8), 1927; Utdrag ur omtrycket tillgängligt online: H. Backhaus, J. Friese, EMv Hornbostel, A. Kalähne, H. Lichte, E. Lübcke, E. Meyer, E. Michel, CV Raman, H. Sell, F. Trendelenburg: Akustik . Springer-Verlag, 13 mars 2013, ISBN 978-3-642-47352-4 , s. 477.
  2. ↑ awi.de , Oceanic Acoustics (4 mars 2017)
  3. ↑ deutschlandfunk.de , radiospel , 17 december 2017: Låt mig bo i mörker - Lieder aus der Finsternis (4 mars 2017)