Ausbreitung von Ultraschall

Je nach Medium können sich Schallwellen auf unterschiedliche Weise ausbreiten. In gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen kann sich Schall in Form von Druckschwankungen ausbreiten. Die Materieteilchen werden lokal verdichtet ("Überdruck") und verdünnt ("Unterdruck") und übertragen den entsprechenden Impuls auf die benachbarten Teilchen. Die Schwingungsrichtung der einzelnen Teilchen ist mit der Ausbreitungsrichtung der Schwallwelle identisch. Man spricht in diesem Fall auch ganz allgemein von Longitudinalwellen (Längswellen).

  • Bei Longitudinalwellen schwingen die einzelnen Teilchen längs in Ausbreitungsrichtung der Welle.

Neben der Ausbreitung als Longitudinalwelle besteht in Festkörpern zusätzlich noch eine weitere Möglichkeit der Schallausbreitung. Die Materie kann neben einer Verdichtung bzw. Verdünnung auch eine "seitliche" Verschiebung erfahren (analog zum Auf- und Abschwingen eines Seiles). Eine solche seitliche Verschiebung wirkt sich auf die benachbarten Teilchen aus, die hierdurch ebenfalls eine seitwärtsgerichtete Kraft erfahren und damit nach und nach in Schwingung versetzt werden. In diesem Fall ist die Schwingungsrichtung der einzelnen Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Eine solche Welle wird dann auch als Transversalwelle (Querwelle) bezeichnet.

  • Bei Transversalwellen schwingen die einzelnen Teilchen quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

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 Abbildung: Wellenarten

Transversalwellen können nur in Medien entstehen bei denen die einzelnen Teilchen durch Bindungskräfte mit ihren benachbarten Teilchen elastisch gekoppelt sind. Denn nur dann können die einzelnen Teilchen bei ihrer Auf- und Abbwegung auch die benachbarten Teilchen "mitreißen". Dies trifft folglich nur für Feststoffe, da in Flüssigkeiten und in Gasen keine ausreichenden intermolekularen Bindungskräfte vorhanden sind.

  • In Festkörpern kann sich Schall als Longitudinal- und/oder Transversalwelle ausbreiten, in Flüssigkeiten und Gasen hingegen nur als Longitudinalwelle.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls (Schallgeschwindigkeit genannt) ist in erster Linie nur vom Medium abhängt, in dem sich der Schall ausbreitet. Die Geschwindigkeit mit der die einzelnen Teilchen hin- und herschwingen (Schnelle genannt) hat keinen Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Die Geschwindigkeit des Hin- und Herschwingens besimmt lediglich die Frequenz der Schallwelle. Hierdurch breitet sie sich aber nicht schneller oder langsamer aus. Strenggenommen ist die Schallgeschwindigkeit auch noch von der Temperatur des Mediums abhängig. Ebenfalls muss bei Festkörpern berücksichtigt werden, ob sich die Schallwelle als Longitudinal- oder als Transversalwelle ausbreitet. Grundsätzlich breiten sich Longitudinalwellen in einem Festkörper schneller aus als Transversalwellen!

  • Die Schallgeschwindigkeit hängt in erster Linie eine vom Medium ab in dem sie sich ausbreitet.
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