Warum kann man Geräusche hinter einer Wand hören?

Ich weiß, dass es mit Schallbeugung zu tun hat, da es sich um eine Welle handelt, aber wie genau tritt diese Beugung auf?

Antworten (5)

Stellen Sie sich für dieses Argument eine unendlich dünne Barriere vor (oder eine dicke Barriere mit einer sehr scharfen Ecke, wenn Ihnen das lieber ist). Denken Sie an ein Molekül direkt am Rand der Barriere, ohne sie zu berühren. Eine Schallwelle nähert sich. Das bedeutet, dass sich das nächste Nachbarmolekül dahinter nähert. Es kann direkt auftreffen und das erste Molekül vorwärts beschleunigen. Aber das Nachbarmolekül könnte außermittig ausgerichtet sein, so dass es das erste Molekül mit einem Streifschuss trifft und es in eine andere Richtung beschleunigt. Das ist der Kern einer Welle, die sich in eine neue Richtung ausbreitet. Stellen Sie sich vor, es gibt sie 10 23 Moleküle im System ... Sie werden mit Beugung enden.

Wo kommt die Barriere ins Spiel?
@AaronStevens Die Barriere ist ein Ersatz für die Wand.
Wo kommt die Mauer ins Spiel? Was ich meine ist, dass Ihre Antwort besagt, dass Sie sich ein Molekül am Rand der Barriere vorstellen sollen, aber Sie erwähnen danach nie explizit die Rolle der Barriere.
Ihre Antwort scheint mir richtig zu sein, aber Beugung tritt bei allen Arten von Wellen auf, nicht wahr? Kann das Huygens-Prinzip immer auf molekularer Ebene erklärt werden, ähnlich wie Ihre Antwort? Scheint schwer an die Allgemeingültigkeit dieses Grundsatzes zu glauben. Oder gilt das Huygens-Prinzip vielleicht doch nur in Medien, die aus Molekülen bestehen?
Das Prinzip von @HartmutBraun Huygens lässt sich nicht immer auf molekularer Ebene erklären. Für Licht, das von einer Barriere im Vakuum gebeugt wird, kann das Huygensche Prinzip angewendet werden, aber es gibt keine Moleküle, um die Wavelets zu erzeugen. Ich denke, jede Beugung kann durch ähnliche Argumente wie das Huygens-Prinzip erklärt werden , aber es gäbe Unterschiede in den Details.
@HartmutBraun Huygens selbst war sich der Wellenlänge nicht sehr bewusst. Und tatsächlich gibt es für Licht im Vakuum ein konzeptionelles Problem, aber es gibt Babinets Prinzip: In Wirklichkeit stammen die gestreuten Wellen vom Schirm.
@garyp Aber die Barriere wird aus einem Material bestehen, das Licht absorbiert und wieder emittiert und wiederum Kerne für das Huygens-Prinzip liefert. Ansonsten kann ich fragen: Was lässt Lichtwellen beugen? Das Huygens-Prinzip ist „nur“ ein Prinzip, keine Erklärung.
@HartmutBraun Der Beitrag der Barriere muss tatsächlich in eine strenge Beschreibung der Beugung aufgenommen werden. Aber das gilt nicht für diese Diskussion. Die wichtige Eigenschaft, dass sich Wellen im Schatten der Wand ausbreiten, wird ohne sie erklärt. Ihr letzter Satz ist philosophisch, und ich bin kein Philosoph. Was zählt als „Erklärung“? Sind die Maxwellschen Gleichungen eine Beschreibung oder eine Erklärung?
Das @garyp Huygens-Prinzip beschreibt das Wellenverhalten durch die Einführung von sphärischen Wavelets, die von jedem Punkt aus emittiert werden. Ihre Antwort auf die Frage des OP liefert eine fundierte physikalische Erklärung, wie Wavelets von jedem Punkt aus emittiert werden, und rechtfertigt die Anwendung des Prinzips im Nachhinein. Ich denke, das ist genau das Ziel von OP. Aber Sie haben auch Recht, dass nicht immer klar ist, was als Erklärung oder bloße Beschreibung gilt.
Ich versuche nicht, nervig zu sein, ich möchte nur verstehen, was die Barriere tut.
@AaronStevens Die Barriere ist etwas, das den Effekt der Beugung deutlicher und deutlicher macht. Beugung existiert sicherlich ohne die Barriere. Ich versuche, zwischen Ihren Zeilen zu lesen, und es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ich Ihre Frage beantworten kann. Meine Beschreibung ist unvollständig und malerisch, aber ich habe versucht, die Frage auf physische Weise anzugehen.
Es tut mir leid, ich versuche nicht, unklar zu sein. Ich verstehe einfach nicht, was die Barriere in Ihrer Antwort bewirkt. Sie sagen, Sie sollen sich ein Molekül durch die Barriere vorstellen, aber Sie sagen nicht, was die Barriere tatsächlich tut. Wie macht die Barriere die Beugung hier deutlicher?

Mir ist nicht ganz klar, was Sie fragen, aber ich würde auf Simulationen wie auf PhET: Wave Interference verweisen .

Dort kann zwischen Schallwellen, Oberflächenwellen auf Wasser (Wellenbecken) oder Lichtwellen umgeschaltet werden.

Es gibt zwei wichtige Dinge zu erkennen:

  • Die Wellenlänge von Schallwellen liegt in der Größenordnung von 1 Meter, vergleichbar mit der Höhe von Wänden.
  • Wir erleben den Schallpegel als logarithmisches Maß für die Intensität, und beispielsweise reduziert selbst eine zehnfache Leistungsreduzierung den Schallpegel nur um 10 dB, beispielsweise von 60 dB auf 50 dB.
Ich denke, das OP möchte nur verstehen, wie die Beugung einer Welle auftritt.

Wenn für die Ausbreitung von Schallwellen und Lichtwellen genau die gleiche Wellengleichung gilt:

∂ 2 F ∂ T 2 = C 2 ∇ 2 F ,
Wo C ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen und F ist das Ding, das sich ausbreitet (z. B. Druck für eine Schallwelle oder elektrisches Feld für eine Lichtwelle), warum können Sie hören, aber nicht sehen, was auf der anderen Seite einer Wand passiert?

Dafür gibt es zwei Hauptgründe, von denen Pieter auf den wichtigeren bereits hingewiesen hat: Die Wellenlänge von Schallwellen ist millionenfach größer. Schall im menschlichen Hörbereich wird an einer 10 m hohen Wand genauso gebeugt wie Licht, das wir sehen können, an einer „Wand“ mit einer Höhe von 0,01 mm. (Die Geschwindigkeit unterscheidet sich ebenfalls um einen Faktor von etwa einer Million, aber das ändert nicht die räumlichen Eigenschaften, wie sich die Wellen verhalten, wenn sie von der Quelle zu Ihnen wandern, sondern nur, wie lange diese Reise dauert.)

Der andere, subtilere Grund ist, dass wir auditive und visuelle Signale sehr unterschiedlich verarbeiten.

Alles, was für Ihr Gehirn bei den Drucksignalen, die in Ihre Ohren kommen, wirklich wichtig ist, ist das Spektrum – die Energiemenge bei jeder Frequenz. Das Signal kann also gebeugt werden (oder von unregelmäßigen Oberflächen oder was auch immer abprallen), ohne Ihre Fähigkeit zu beeinträchtigen, Informationen daraus zu extrahieren. (Übrigens ist Streuung in vielen Fällen wichtiger als Beugung – wenn Sie eine Stimme aus dem anderen Raum hören, erreicht Sie ein Großteil dieser Schallenergie, indem sie von einer oder zwei Wänden reflektiert wird.)

Ihre Augen hingegen kümmern sich nicht um das Spektrum – Farbe ist nur eine Art Durchschnitt aller konstituierenden Frequenzen – aber sie brauchen Lichtstrahlen, die von verschiedenen Positionen auf einem Objekt stammen, das Sie sehen möchten von diesen Positionen vorhersehbar entlang der Linien reisen. Andernfalls entsteht kein Bild des Objekts. Beugung (oder Abprallen von rauen Oberflächen) bringt dies durcheinander; Selbst wenn das Licht immer noch in Ihr Auge eintritt, ist das Bild, das durch direkt von der Quelle kommende Strahlen auf Ihrer Netzhaut erzeugt worden wäre, jetzt verschlüsselt, sodass Ihr Gehirn die Informationen, die es aus diesem Bild erhalten hätte, aus dem Licht nicht extrahieren kann .

Diese Antwort wurde abgelehnt, aber ich denke, das könnte etwas hart sein. Diese Antwort scheint das Wort "hören" im Betreff anzusprechen. Wir wissen nicht genau, ob das OP an der Physik der Beugung oder der an das Hören gekoppelten Beugung interessiert war. Diese Antwort könnte (meine Meinung) klarer gemacht werden, indem darauf hingewiesen wird, dass ich Gespräche hinter einer Wand hören kann, aber ich kann nicht sehen, wer spricht. Aber selbst dann gibt es Probleme: Mein Radio kann Signale empfangen, die an vielen Hindernissen gebeugt wurden, aber ich höre die Musik immer noch perfekt. Die Argumentation wird kompliziert.
Das ist eine nette Art, es auszudrücken – das Gespräch hören, aber nicht sehen, wer spricht. Ich sehe jedoch keinerlei Komplikation: Radiowellen werden an Dingen gebeugt, weil sie im Gegensatz zu sichtbarem Licht lange Wellenlängen haben. Ihr Funkgerät versucht nicht, die Funkwellen in einem Bild zu fokussieren – es reagiert nur auf die Amplitude an einem einzelnen Punkt (viel ähnlicher wie Ihre Ohren Signale interpretieren als Ihre Augen). Die gebeugten Radiowellen tragen also immer noch die Informationen.
Das gebeugte Licht trägt auch noch die Informationen, aber es ist schwieriger, sie verständlich zu machen. Schwieriger, aber nicht unmöglich. Ein Hologramm fängt ein gebeugtes Lichtfeld ein und die Rekonstruktion macht es verständlich.
Guter Punkt. Aber unsere Augen können das nicht.

Wenn Sie dieser Logik folgen können, sollten Sie ein Gefühl dafür bekommen, was passiert ...

Wellen, die nicht physisch begrenzt sind, haben die Tendenz, sich auszubreiten.

Stellen Sie sich vor, Sie verwenden einen Stock, um Wasser in einem Tank zu bewegen – Sie erzeugen Wellen, die sich kreisförmig nach außen ausbreiten und sich über eine zunehmende Fläche ausbreiten.

Wenn der Tank ein langer Kanal ist, vielleicht einen Fuß breit und sagen wir zwanzig Fuß lang, werden die Wellen, wenn sie versuchen, sich auszubreiten, von den Wänden eingeschränkt, sodass ihre Bewegung entlang des Kanals gerichtet ist.

Stellen Sie sich nun vor, der Kanal mündet am anderen Ende in einen Teich. Wenn die Wellen dort ankommen, werden sie nicht mehr von den Wänden eingeengt, sondern öffnen sich wieder.

Um auf Ihre Frage zurückzukommen, wenn etwas auf der anderen Seite einer Wand ein Geräusch macht, versuchen die Schallwellen, sich in alle Richtungen auszubreiten. Das Geräusch, das es über die Wand schafft, ist wie die Wasserwelle, die den Kanal verlässt – es breitet sich über die Wand hinaus aus.

Wenn Sie den Effekt genauer betrachten, können Sie zeigen (ich werde es hier nicht versuchen), dass das Ausmaß der Ausbreitung, wenn sich die Welle aus dem Kanal in den Teich bewegt, von der Breite der Öffnung am Ende des Kanals abhängt der Kanal verglichen mit der Wellenlänge der Welle. Wenn beide ungefähr gleich sind, ist die Streuung am größten. Das erklärt, warum sich typische hörbare Geräusche (mit Wellenlängen von vielleicht einigen Metern bis hinunter zu einigen Zentimetern) um alltägliche Lücken und Hindernisse herum ausbreiten.

Mit der Konstruktion von Huygen kann ein intuitives Bild erhalten werden. Obwohl es sich nicht um eine quantitative Methode handelt, ist sie für die Intuition sehr nützlich. Es besagt, dass jeder Punkt auf einer Wellenfront als Auslöser für eine von ihm ausgehende sekundäre sphärische Wellenfront fungiert. Die Überlagerung dieser sekundären Wellenfronten führt dazu, dass sich die gesamte Wellenfront vorwärts bewegt - und so weiter. Stellen Sie sich mit diesem Bild der Wellenausbreitung vor, was passiert, wenn ein Abschnitt der Wellenfront durch eine Wand abgeschirmt wird – die sekundären sphärischen Wellenfronten direkt am Rand strahlen einfach in den geometrischen Schattenbereich. Das ist Beugung. Es ist einfach eine Folge der Ausbreitungstendenz von Wellen.

Tatsächlich ist eine mathematisch strenge Version dieses Arguments genau die Kirchhoff-Näherung . Es ist aber immer noch eine Annäherung. Ein wirklich strenges geometrisches Bild der Beugung, das ohne zusätzliche Postulate direkt aus der Wellengleichung abgeleitet wird, existiert nicht. Basierend auf unserem derzeitigen Verständnis der Wellenphysik ist dies wahrscheinlich alles, was Sie tun können, bevor Sie die Antwort "Löse die Wellengleichung" erhalten.

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