Körperschall

Eine sehr große Zahl der Schallereignisse, die unser Ohr erreichen — sei es der Klang einer Geige, das Quietschen einer Bremse oder eine lautstarke Unterhaltung in der nachbarlichen Wohnung — werden durch schwingende Festkörper erzeugt oder fortgeleitet. Man bezeichnet das Gebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung, Übertragung und Abstrahlung von — meist sehr kleinen — zeitlich wechselnden Bewegungen und Kräften in festen Körpern beschäftigt, als „Körperschall“1. Dabei drückt die Bezeichnung „Schall“ bereits aus, daß das Hauptaugenmerk bei den hörbaren Frequenzen — also etwa im Bereich 16 Hz bis 16000 Hz — liegt. Diese Frequenzen sind jedoch durchaus nicht als starre Grenzen anzusehen; so ist es beispielsweise ohne weiteres möglich, daß die Meßmethoden, mit denen die Körperschalleigenschaften von Materialien im hörbaren Bereich bestimmt werden, auch im Ultraschallgebiet angewandt werden. Es können andererseits auch Verfahren, die für tiefe Frequenzen (z.B. in der Seismologie oder in der mechanischen Schwingungslehre) entwickelt wurden, auch für Körperschallprobleme benutzt werden.

Auch im festen Material gibt es, wie in flüssigen und gasförmigen Medien, reine Longitudinalwellen, also solche, bei denen Schwingungs- und Ausbreitungs-Richtung zusammenfallen. Man kann sich dieselben dadurch veranschaulichen, daß man die Bewegungen von im ungestörten Medium äquidistanten zur Ausbreitungsrichtung senkrechten Materialebenen betrachtet. Diese Ebenen verschieben sich bei der longitudinalen Wellenbewegung nicht nur absolut gegenüber ihrer Ruhelage, indem z.B. die in Bild 2.1 ursprünglich bei x befindliche Ebene um ξ verschoben wird, sondern sie ändert auch ihren relativen Abstand untereinander, indem die in der Ruhelage um dx entfernte Ebene eine im allgemeinen verschiedene Verschiebung ξ+∂ξ/∂xdx erfährt. Die ursprünglich in dem Längenelement dx eingeschlossene Materie hat also eine Dehnung in x-Richtung von erfahren.

Im vorhergehenden Kapitel wurden die verschiedenen Wellenarten, die im Festkörper auftreten können, eingehend diskutiert. Dabei wurde stets in irgend einer Form das Hookesche Gesetz — also die Proportionalität von Spannung und Dehnung — benutzt. Dieses Gesetz hat — wie die meisten der Physik — die Eigenschaft, für Idealfälle zu gelten, die in der Natur nur als Grenzfälle erreicht werden. Für die im vorherigen Kapitel behandelten Fälle spielen die in der Praxis auftretenden Abweichungen vom Hookeschen Gesetz keine Rolle. Interessiert man sich aber beispielsweise für den Verlauf eines Vorganges über relativ lange Zeiten, so sieht man sofort, daß die im letzten Kapitel abgeleiteten Beziehungen zu Widersprüchen mit der Erfahrung führen. Während aus dem täglichen Leben bekannt ist, daß jede Schwingung zeitlich und räumlich „abklingt“, besagen die bisher abgeleiteten Beziehungen (s. beispielsweise (2.11) und (2.12)), daß eine einmal in Gang gesetzte Bewegung beliebig lange fortdauern würde.

In den beiden letzten Kapiteln wurde die Körperschallausbreitung in Form von ebenen Wellen mit und ohne Dämpfung untersucht. In diesem Kapitel soll nun der der Ausbreitung vorangehende Prozeß — also die Anregung von Körperschall — behandelt werden.

Nachdem wir im letzten Kapitel die wichtigsten Anregungsfalle von Körperschall kennengelernt haben, gehen wir nun dazu über, das weitere Schicksal zu verfolgen. In jedem Falle treffen die Wellen bald auf Stellen, wo sich entweder das Material oder die Bauart oder gar beides ändern. Jede solche Unstetigkeit aber führt zu einer Reflexion. Dadurch wird die über sie hinwegtretende Energie kleiner als die aufgefallene. Die Unstetigkeit bildet somit einen gewissen Damm. Die Kenntnis solcher Dämmwirkungen, und zwar sowohl solcher, die jede Konstruktion von vornherein aufweist, als auch solcher, die man evtl. zu diesem Zweck eigens einführt, bildet einen praktisch wichtigen Teil der Lehre vom Körperschall, dem wir uns in diesem Kapitel zuwenden.

Die Behandlung von Körperschallproblemen wäre ohne eine ausführliche Untersuchung der Schallabstrahlung unvollständig; denn bei sehr vielen Fragen der Praxis interessiert nicht so sehr, wie groß die Schwingungen eines Körpers sind, wie sie übertragen werden und wie sie verteilt sind, sondern wie laut das Geräusch ist, das in die Umgebung abgestrahlt wird. Die Antwort auf diese Frage ist jedoch nur möglich, wenn man neben den Schwingungsamplituden als Funktion der Frequenz und der örtlichen Verteilung auch den Übertragungsmechanismus von den Schwingungen auf die Schalldrücke im umgebenden Medium kennt. Bei der Abstrahlung in ein relativ dichtes Medium wie z.B. Wasser spielt dabei auch noch die Belastung des schwingenden Körpers durch das umgebende Medium eine nicht zu unterschätzende Rolle. Man muß also relativ viele Details — von der Art wie sie in den früheren Kapiteln behandelt wurden — kennen, um die Abstrahlung von Körperschall bestimmen zu können.