Die Schallkennimpedanz , auch akustische Feldimpedanz oder spezifische akustische Impedanz genannt, ist zusammen mit der akustischen Flussimpedanz und der mechanischen Impedanz eine der drei in der Akustik benutzten Impedanzdefinitionen.
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.
Beschreibung 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 bzw. kg/m2s (veraltet: Rayl).
Im Fernfeld sind Druck und Schnelle in Phase, deshalb berechnet sich die Schallkennimpedanz reellwertig aus:
mit der Schallintensität der Schallgeschwindigkeit der Dichte .
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 ist das Verhältnis des Schalldrucks pr der an der Grenzfläche reflektierten Welle zum Schalldruck pe der einfallenden Welle; er ist auch das Verhältnis der Differenz der beiden Schallkennimpedanzen zu ihrer Summe bei senkrechtem Schalleinfall:
Druck- und Temperaturabhängigkeit bei Gasen 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 und zu :
mit den Materialkonstanten molare Masse M Adiabatenexponent κ Gaskonstante R.
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.
+ Schallkennimpedanz von Luft bei 101.325 Pa in Abhängigkeit von der Temperatur Temperatur (°C) Kennimpedanz (Ns/m³) Temperatur (°C) Kennimpedanz (Ns/m³) +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
Materialabhängigkeit Materialkonstanten: Dichte ρ Poissonzahl ν Kompressionsmodul K Schubmodul G + Schallkennimpedanz von Gasen (bei 101.325 Pa und 0 °C) Gas ρ (kg/m3) c (m/s) ZF (Ns/m3) Argon 1,78 308 550 Helium 0,178 6 972 173,7 Krypton 3,74 212 795 Luft 1,292 0 331,5 428,3 Neon 0,90 433 390 Schwefelhexafluorid 6,63 144 955 Stickstoff 1,245 337 421 Wasserstoff 0,089 94 1256 113 Xenon 5,898 2 170 995 Ideales Gas
+ Schallkennimpedanz von Flüssigkeiten Flüssigkeit θ (°C) ρ (103 kg/m3) c (103 m/s) ZF (106 Ns/m3) Benzol 20 0,88 1,326 1,167 Brom 20 3,12 0,149 0,465 Ethanol 20 0,789 3 1,168 0,922Galinstan 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
+ Longitudinale Schallkennimpedanz von Festkörpern Material ρ (103 kg/m3) c (103 m/s) ZF (106 Ns/m3) Aluminium 2,70 6,42 17,33 * 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 Speed of Sound of the elements (engl.)5,91 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 rfcafe.com1,55 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) Ernst Grimsehl, Walter Schallreuter: Lehrbuch der Physik. Band l: Mechanik, Akustik, Wärmelehre. S. 256. Weitere Werte für Festkörper sind unter traktoria.org Traktoria.org (englisch); abgerufen am 13. Mai 2022. zu finden.
Siehe auch Liste von Audio-Fachbegriffen
Weblinks Das ohmsche Gesetz als akustische Äquivalenz – Umrechnung von Schallimpedanz, Schalldruck, Schallschnelle und Schallintensität. sengpielaudio.com Zusammenhang der akustischen Größen bei ebenen fortschreitenden Schallwellen. (PDF; 109 kB) sengpielaudio.com Vergleichende Darstellung von Schallfeldgrößen und Schallenergiegrößen. (PDF; 37 kB) sengpielaudio.com
Einzelnachweise
Impedanz