Schallgrößen |
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Die Schallkennimpedanz
Die Schallkennimpedanz ist die spezifische Impedanz, die man als Wellenwiderstand des Mediums bezeichnet. Schallwellenwiderstand oder Schallwiderstand sind veraltete Bezeichnungen für die Schallkennimpedanz, eine physikalisch wenig sinnvolle Bezeichnung ist Schallhärte.
Die Schallkennimpedanz ist eine physikalische Größe und ist definiert als das Verhältnis von Schalldruck p zu Schallschnelle v:
Schalldruck und Schallschnelle und damit auch die akustische Feldimpedanz werden hierbei allgemein als komplexe Größen beschrieben, die jeweils von der Frequenz abhängen.
Die abgeleitete SI-Einheit der Schallkennimpedanz ist Ns/m3 (veraltet: Rayl).
Im Fernfeld sind Druck und Schnelle in Phase, deshalb berechnet sich die Schallkennimpedanz reellwertig aus:
mit
Obige Gleichung zeigt, dass das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit gleich der Schallkennimpedanz und damit in einem homogenen, invarianten Schallfeld räumlich und zeitlich konstant ist. Dieser Zusammenhang wird auch „ohmsches Gesetz als akustische Äquivalenz“ genannt.
Die Proportionalitätskonstante zwischen Schalldruck und Schnelle wird auch als Wellenwiderstand bezeichnet. Das Wort „Widerstand“ soll die Analogie zum elektrischen Widerstand R = U / I signalisieren, da die elektrische Spannung ähnlich wie der Schalldruck mit der Kraft zusammenhängt und der elektrische Strom ähnlich wie die Schnelle mit einem Teilchenstrom.
Bewegen sich Schallwellen von einem Medium in ein anderes (z. B. von Luft in Wasser), so werden sie an der Grenzfläche (in diesem Fall die Wasseroberfläche) umso stärker reflektiert, je unterschiedlicher die Schallkennimpedanzen beider Medien sind. Der Schallreflexionsfaktor
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten und Festkörpern hängt die Schallkennimpedanz von Gasen erheblich von den Zustandsgrößen Druck und Temperatur ab: sie ist für ideale Gase proportional zu
mit den Materialkonstanten:
Für einen Druck von 100 kPa und eine Temperatur von 20 °C bedeutet das eine momentane mittlere Änderungsrate von etwa 1 %/kPa und −0,17 %/K.
Temperatur |
Kennimpedanz |
Temperatur |
Kennimpedanz |
---|---|---|---|
+40 | 400,2 | +5 | 424,5 |
+35 | 403,4 | 0 | 428,3 |
+30 | 406,7 | −5 | 432,3 |
+25 | 410,0 | −10 | 436,4 |
+20 | 413,6 | −15 | 440,6 |
+15 | 417,1 | −20 | 444,9 |
+10 | 420,8 | −25 | 449,4 |
Gas | ρ [kg/m3] |
c [m/s] |
ZF [Ns/m3] |
---|---|---|---|
Argon | 1,78 | 308 | 550 |
Helium | 0,1786 | 972 | 173,7 |
Krypton | 3,74 | 212 | 795 |
Luft | 1,2920 | 331,5 | 428,3 |
Neon | 0,90 | 433 | 390 |
Schwefelhexafluorid | 6,63 | 144 | 955 |
Stickstoff | 1,245 | 337 | 421 |
Wasserstoff | 0,08994 | 1256 | 113 |
Xenon | 5,8982 | 170 | 995 |
Ideales Gas |
Flüssigkeit | θ [°C] |
ρ [103 kg/m3] |
c [103 m/s] |
ZF [106 Ns/m3] |
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Benzol | 20 | 0,88 | 1,326 | 1,167 |
Brom | 20 | 3,12 | 0,149 | 0,465 |
Ethanol | 20 | 0,7893 | 1,168 | 0,922 |
Galinstan | 20 | 6,44 | 2,95 | 19,0 |
Pentan | 20 | 0,621 | 1,01 | 0,627 |
Quecksilber | 20 | 13,546 | 1,407 | 19,059 |
Wasser | 0 | 0,999.84 | 1,403 | 1,403 |
10 | 0,999.70 | 1,448 | 1,448 | |
20 | 0,998.20 | 1,483 | 1,480 | |
30 | 0,995.64 | 1,509 | 1,502 | |
40 | 0,992.21 | 1,529 | 1,517 | |
50 | 0,988.03 | 1,543 | 1,525 | |
60 | 0,983.19 | 1,551 | 1,525 | |
70 | 0,977.76 | 1,555 | 1,520 | |
80 | 0,971.79 | 1,555 | 1,511 | |
90 | 0,965.30 | 1,551 | 1,497 | |
100 | 0,958.35 | 1,543 | 1,479 | |
Flüssigkeit |
Material | ρ [103 kg/m3] |
c [103 m/s] |
ZF [106 Ns/m3] |
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Aluminium | 2,70 | 6,42[1] | 16,9 * |
Blei | 11,34 | 1,26 | 14,3 * |
Blei-Zirkonat-Titanat | 7,8 | 3,85 | 30 * |
Diamant | 3,52 | 18,35 | 64,6 * |
Eis (0 °C) | 0,918 | 3,25 | 2,98 |
Eisen | 7,874 | 5,91[2] | 45,6 * |
Kupfer | 8,93 | 5,01 | 44,6 |
Lithium | 0,535 | 6 | 3,2 |
Magnesium | 1,73 | 5,8 | 10 |
Messing (30 % Zinn) | 8,64 | 4,7 | 40,6 |
Naturgummi | 0,95 | 1,55[1] | 1,4 * |
Polystyrol | 1,06 | ca. 2,2 | 2,3 * |
Stahl | ca. 7,85 | ca. 6 | ca. 45 |
Titan | 4,50 | 4,14 | 18,6 |
Wolfram | 19,25 | 5,22 | 104,2 * |
Festkörper (longitudinal) | |||
Festkörper (transversal) |
Materialkonstanten: