10.3 Begrenzte Wellenmedien

Bisher sind wir immer von unbegrenzten Wellenmedien ausgegangen. Jedes reale Wellenmedium ist aber irgendwann zu Ende.

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Bild 10.16: Verkleidung der Wände in einem Tonstudio

In diesem Kapitel geht um Phänomene, die mit der Ausbreitung einer Welle in begrenzten Medien auftreten. Du erfährst auch, wie man die Ausbreitung einer Welle unterbinden kann, wie zum Beispiel in einem Tonstudio (Bild 10.16).

10.3.1 Reflexion eine Welle an einem festen Ende

Die meisten Wellenmedium sind begrenzt. Was passiert, wenn eine Welle zum letzten Oszillator am Ende eines Wellenmediums kommt und dieser Oszillator fix montiert ist?

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Bild 10.17: Reflexion einer Welle an einem festen Ende

In Bild 10.17 siehst du einen Wellenberg nach rechts laufen. Die Bewegung kann nicht an den letzten Oszillator weitergegeben werden und so wird der vorletzte Oszillator in die Gegenrichtung beschleunigt. Die Welle wird an einem festen Ende (engl. fixed end) reflektiert und läuft in die Gegenrichtung als Wellental zurück. Es tritt ein Phasensprung von \(\pi\) (\(180^\circ\)) auf.

10.3.2 Reflexion eine Welle an einem losen Ende

Im letzten Abschnitt haben wir die Reflexion an einem festen Ende gesehen. Wenn der letzte Oszillator am Ende eines Mediums frei schwingen kann, spricht man von einem losen Ende (engl. lose end).

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Bild 10.18: Reflexion einer Welle an einem losen Ende

Diese Situation kann man zum Beispiel mit einer dünnen Schnur am Ende einer Spiralfeder angenähert werden. In Bild 10.18 siehst du links einen Wellenberg nach vorne laufen. An einem losen Ende wird der letzte Oszillator nicht am Schwingen gehindert. Der einlaufende Wellenberg wird am Ende des Mediums reflektiert und kommt ebenfalls als Wellenberg zurück (Bild 10.18 rechts). In diesem Fall kommt zu keinem Phasensprung.

10.3.3 Übergang zu Wellenmedien

Wenn zwei Wellenmedien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften aneinander stoßen, passiert etwas sehr interessantes: Die Welle läuft zwar im zweiten Medium weiter, aber ihre Energie ist kleiner als zuvor (sie wird abgeschwächt). Der Grund ist, dass am Übergang zum zweiten Medium auch eine Welle reflektiert wird (Bild 10.19), die den anderen Teil der Wellenenergie fortträgt.

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Bild 10.19: Teilweise Reflexion am Übergang zweier Wellenmedien

Willst du das Abschwächen der Welle verhindern, musst du dafür sorgen, dass so gut wie nichts von der einlaufenden Wellen am Übergang reflektiert wird. Dafür muss das zweite Medium die gleichen physikalischen Eigenschaften wie das erste Medium besitzen.

10.3.4 Dämpfung einer Welle

Will man eine Welle unterbinden, bringt es nichts das Wellenmedium zu beenden. Sowohl bei einem losen als auch an einem festen Ende kommt es zur Reflexion. Der einzig erfolgsversprechende Weg ist die Wellenenergie in eine andere Energieform (z.B. Wärme) umzuwandeln. Das Ende des Wellenmediums müssen daher gedämpfte Oszillatoren (9.5.2) bilden.

Die Verkleidung eines Tonstudios (Bild 10.16) soll die Ausbreitung von Schallwellen verhindern. Ein weiches Material (zum Beispiel Schaumstoff) sorgt für die Schalldämpfung. Die zerklüftete Oberfläche sorgt für die Verteilung der Wellenenergie in unterschiedliche Richtungen, wodurch die Schallwelle weiter Energie verliert (Schalldämmung).