Körperschall
Körperschall ist Schall, der sich in einem Festkörper ausbreitet. Das umfasst so unterschiedliche Phänomene wie Erschütterungen und Erdbeben, die Übertragung von Schwingungen in Gebäuden, Fahrzeugen, Maschinen usw. oder auch die zur Werkstoffprüfung eingesetzten Ultraschallwellen.
Physikalische Grundlagen
Ein Festkörper kann neben Normalspannungen auch Schubspannungen aufnehmen. Deshalb können sich in Festkörpern zwei verschiedene Arten Körperschallwellen ausbreiten, nämlich:
Diese Wellen breiten sich unabhängig voneinander aus. Die Schallgeschwindigkeit wird durch die Dichte, die Schallhärte, den Schubmodul (Transversalwellen) und den Elastizitätsmodul (Longitudinalwellen) beeinflusst.
Für technische Anwendungen ist die Schallausbreitung in dünnen Bauteilen, wie Platten und Balken von Interesse. Diese Bauteile sind begrenzte Festkörper mit schubspannungsfreier Oberfläche. Dadurch kommt es zur Kopplung zwischen Longitudinalwellen und Transversalwellen, wodurch weitere Arten von Körperschallwellen entstehen. Die bedeutendste Wellenart sind die Biegewellen, bei denen Biege-Verformungen auftreten. Die Schallgeschwindigkeit dieser Wellen ist deutlich geringer als die der Longitudinalwellen und Transversalwellen und sie ist frequenzabhängig (Dispersion). Biegewellen transportieren aber meistens deutlich mehr Schallenergie und sind außerdem die wesentliche Ursache für die Abstrahlung von Luftschall.
Wahrnehmung durch den Menschen
Körperschall kann durch den Menschen vor allem bei tiefen Frequenzen taktil wahrgenommen werden. Hörbar ist nur der durch den schwingenden Festkörper abgestrahlte Luftschall. Eine Ausnahme bildet in den Schädelknochen übertragener Körperschall, der direkt vom Innenohr wahrgenommen werden kann (Knochenleitung). Dieser Mechanismus ist nicht auf die Funktionsfähigkeit des Mittelohres angewiesen. Das wird bei Knochenleitungshörgeräten und für die Diagnose bei Schallleitungsstörungen eingesetzt.
Nachweis
Tonabnehmer an Musikinstrumenten
Kontaktmikrofone, Körperschallmikrofone oder Körperschallabnehmer für Musikinstrumente sind Beschleunigungssensoren, welche meist den piezoelektrischen Effekt verwenden, um die Beschleunigung in elektrische Signale zu wandeln. Die Sensoren arbeiten in dem Frequenzbereich, der für den Menschen wahrnehmbar ist, und werden auf die Oberfläche des Instruments montiert. Damit wird der Körperschall eines Instrumentes dort aufgenommen, wo eine Beschleunigung der Oberfläche stattfindet. Das mit einem Kontaktmikrofon aufgenommene Signal eines Instrumentes kann dem Signal eines Mikrofons, welches den Luftschall aufnimmt, sehr ähnlich sein. Dafür muss es auf dem Instrument in einem geeigneten Bereich platziert werden.
Die Oberflächenschwingungen einzelner Teile eines Instrumentes (Resonanzboden, Trommelfell, Korpus usw.) können sich deutlich hörbar unterscheiden, obwohl sie von demselben Instrument stammen.
Der größte Vorteil der Kontaktmikrofone, für den Anwendungszweck einer dem Luftschall nahen Aufnahme, besteht darin, dass in der Regel weniger Rückkopplung und Übersprechen auftritt.
Technische Anwendungen
Die Aufnahme und Analyse von Körperschall spielt in der Technik eine große Rolle. So können die akustischen Eigenschaften von Kraftfahrzeugen oder auch der technische Zustand (Verschleiß der Lager, kritische Zustände bei der spanabhebenden Bearbeitung) von Maschinen und Generatoren kontrolliert werden.
Weiterhin können Rissentstehung und Materialversagen registriert werden. Ein Beispiel hierzu sind Einbruchsensoren an Fensterscheiben. Die dabei verwendeten Tonabnehmer arbeiten wie bei den Musikinstrumenten auf der Basis des piezoelektrischen Effektes (Piezoeffekt). Die Auswertung der gewonnenen elektrischen Signale umfasst das Auffinden charakteristischer Frequenzanteile und Schallamplituden.
Seismometer registrieren prinzipiell ebenfalls Körperschall, jedoch mit längeren Wellenlängen. Anhand natürlicher oder künstlicher seismischer Ereignisse ist man in der Lage, Ort und Art der Ereignisse zu bestimmen sowie auch Untersuchungen des Erdinneren vorzunehmen. Die Grundlage hierzu ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinal- und Transversalwellen sowie deren Reflexion und Beugung an Schichtstrukturen.