Schallbrechung

SCHALLBRECHUNG

Nach dem Lesen dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

• Definieren Sie die Schallbrechung und warum sie auftritt.
• Beschreiben Sie, was passiert, wenn eine Schallwelle den kritischen Winkel erreicht.

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Fragen

1. Was passiert mit Schall, der sich in einem Material bewegt, wenn er in einem Winkel normal zur Oberfläche zwischen den beiden Materialien (90 Grad zur Oberfläche) in ein anderes Material eintritt?
2. Was passiert mit Schall, der sich in einem Material bewegt, wenn er in einem anderen als dem normalen Winkel zwischen den beiden Materialien in ein anderes Material eintritt?
3. Was passiert mit dem Schall, wenn sich der Einfallswinkel parallel zur Oberfläche nähert?

Schall, der sich zwischen Materialien bewegt

Denken Sie daran, dass sich Schall in einigen Materialien schneller bewegt als in anderen. Schallwellen wandern in geraden Linien von ihrer Quelle nach außen, bis etwas ihren Weg stört. Wenn der Schall in einem anderen Winkel als 90 Grad das Medium wechselt (in ein anderes Material eintritt), wird er aus seiner ursprünglichen Richtung gebogen. Diese Änderung des Richtungswinkels wird Refraktion genannt. Aufgrund des Winkels tritt ein Teil der Welle zuerst in das neue Medium ein und ändert die Geschwindigkeit. Der Geschwindigkeitsunterschied bewirkt, dass sich die Welle verbiegt. Die Schallgeschwindigkeit in jedem Material wird durch die Materialeigenschaften (Elastizitätsmodul und Dichte) für dieses Material bestimmt.

In der folgenden Animation wird eine Reihe ebener Wellen gezeigt, die sich in einem Material bewegen und in ein zweites Material mit einer höheren akustischen Geschwindigkeit eintreten. Wenn die Welle auf die Grenzfläche zwischen diesen beiden Materialien trifft, bewegt sich daher der Teil der Welle in dem zweiten Material schneller als der Teil der Welle in dem ersten Material. Es ist zu sehen, dass sich dadurch die Welle verbiegt.

Der Brechungswinkel hängt von dem Winkel ab, den die Wellen haben, wenn sie in das neue Medium eintreten, und von den Geschwindigkeiten der Wellen in den beiden Materialien. Das Snellsche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen den Winkeln und den Geschwindigkeiten der Wellen. Das Snellsche Gesetz entspricht dem Verhältnis der Materialgeschwindigkeiten V1 und V2 zum Verhältnis der Sinus der einfallenden (Q1) und gebrochenen (Q2) Winkel, wie im obigen Applet und in der folgenden Gleichung gezeigt.

Wobei: VL1 die longitudinale Wellengeschwindigkeit in Material 1 ist. VL2 ist die longitudinale Wellengeschwindigkeit in Material 2.

Es ist zu beachten, dass nur ein Teil des Schalls in das zweite Medium eintritt. Ein Teil des Schalls wird auch in das erste Medium zurückreflektiert. Der Winkel, den die einfallende Welle mit einer Linie normal zur Grenzfläche einnimmt, ist gleich dem Winkel, den die reflektierte Welle zu derselben Normalen einnimmt. Es sollte auch beachtet werden, dass, wenn der Winkel der einfallenden Welle einen ausreichend großen Winkel erreicht, die Schallwelle nicht mehr in das zweite Material eintritt, sondern die Welle entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien verläuft. Der Winkel, in dem dies geschieht, wird als kritischer Winkel bezeichnet.