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Akustische Eigenschaften

Grundlagen

Die akustischen Eigenschaften werden im Wesentlichen durch die Werkstoffkennwerte Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung repräsentiert. Sie sind eng verknüpft mit den mechanischen Werkstoffkenngrößen Elastizitätsmodul (kurz: E-Modul) und Querkontraktionszahl sowie der Zähigkeit. Den Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit v mit dem E-Modul M und der Querkontraktionszahl µ zeigt die folgende Gleichung:

 v=\sqrt{\frac{M}{\rho }}\cdot f(\mu). (1)

Hierbei ist M der Modul, der je nach Anregungsart der Elastizitäts-, Schub- oder Kompressionsmodul sein kann und ρ die Massendichte (siehe: Dichte) des Werkstoffs. Im Falle von Longitudinalwellen (= Längswellen, d. h. Wellenausbreitung und Teilchenschwingungen sind parallel) geht Gleichung (1) über in

 v=\sqrt{\frac{E}{\rho}\cdot \frac{1-\mu}{(1+\mu)(1-2\mu)}}. (2)

Schalldämpfung und Schalldämpfungskoeffizient

Die Schalldämpfung zeigt aufgrund der inneren Reibung der Volumenelemente beim Durchgang der Welle durch das Medium eine exponentielle Abhängigkeit der Schallintensität:

 I(x)=I_{0}\ e^{-2\alpha x}. (3)

Der Faktor 2 entsteht durch den doppelten Schallweg im Impuls-Echo-Verfahren. Der Faktor α im Exponenten der Gl. (3) ist der Schalldämpfungskoeffizient; er besitzt die Dimension 1/m und stellt damit einen werkstoffspezifischen Kennwert dar, der aber von der Messfrequenz abhängig ist:

 \alpha = \alpha (\omega) \!. (4)

Temperaturabhängigkeit der akustischen Eigenschaften

Speziell Kunststoffe besitzen eine starke Temperaturabhängigkeit der akustischen und mechanischen Eigenschaften, die insbesondere das viskoelastische Verhalten und die Dämpfung (Gl. 5) dieser Materialien beeinflusst.

 \alpha = \frac{4\eta (T)}{3\rho c^3}\omega^2. (5)

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Schallgeschwindigkeiten und spezifische Dämpfungen ausgewählter Werkstoffe aufgelistet.


Werkstoff Schallgeschwindigkeit (long.) vs (m s-1) Spezifische Dämpfung
V (dB mm-1)
Stahl 5900 0,25
Aluminium 6400 0,13
Messing 4300 0,15
synthetischer Kautschuk 1460 4,12
PMMA 2540 0,31
PS 2350 2,07
PVC 2300 1,85
PA 6 2570 2,38
PP 2550 2,26
PE 1800 2,26
Derakane 411 2400 0,55
Derakane 470 2700 0,33
Derakane 411 (36 % GF) 2510 0,70
Derakane 411 (70 % GF) 3050 0,50


Literaturhinweise

  • Šutilov, V. A.: Physik des Ultraschalls. Akademie Verlag, Berlin (1984)
  • Kuttruff, H.: Akustik – Eine Einführung. S. Hirzel Verlag, Stuttgart Leipzig (2004)
  • Koschkin, N. I., Schirkewitsch, M. G.: Elementare Physik. Akademie Verlag, Berlin (1987)