9.3 Begrenzte Wellenmedien

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

Verkleidung der Wände in einem Tonstudio

Bild 9.16: Verkleidung der Wände in einem Tonstudio

In diesem Kapitel geht um Phänomene, die bei der Ausbreitung einer Welle in begrenzten Medien auftreten. Du erfährst aber auch, wie die Ausbreitung einer Welle unterbunden werden kann, wie zum Beispiel in einem Tonstudio (Bild 9.16).

Links:

9.3.1 Reflexion eine Welle an einem festen Ende

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

Reflexion einer Welle an einem festen Ende (Video)

Bild 9.17: Reflexion einer Welle an einem festen Ende (Video)

In Bild 9.17 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.

9.3.2 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, handelt es sich um ein loses Ende (engl. loose end).

Reflexion einer Welle an einem losen Ende (Video)

Bild 9.18: Reflexion einer Welle an einem losen Ende (Video)

Diese Situation kannst du zum Beispiel mit einer dünnen Schnur am Ende einer Spiralfeder näherungsweise erreichen. In Bild 9.18 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 9.18 rechts). In diesem Fall kommt zu keinem Phasensprung.

9.3.3 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 9.19), die den anderen Teil der Wellenenergie fortträgt.

Teilweise Reflexion am Übergang zweier Wellenmedien

Bild 9.19: 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.

9.3.4 Dämpfung einer Welle

Willst du eine die Ausbreitung einer 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 (8.6.2) bilden.

Die Verkleidung eines Tonstudios (Bild 9.16) 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).