Schallstrahlungsdruck

Schallstrahlungsdruck (auch: Akustischer Strahlungsdruck, engl.: Acoustic radiation pressure) ist ein physikalisches Phänomen, das seit den fünfziger Jahren bekannt ist und erstmals von Rayleigh theoretisch beschrieben wird.^[1] Bereits Ende der dreißiger und Anfang der vierziger Jahre diskutierten Herz und Mende den Schallstrahlungsdruck in Flüssigkeiten.^[2]

Der Schallstrahlungsdruck bezeichnet den über die Zeit gemittelten Druckunterschied gegenüber dem Normaldruck des Mediums beim Auftreffen des Schallfeldes auf andere Medien (Hindernisse). Da aufgrund des Druckes eine messbare Kraft auf das Hindernis ausgeübt wird, spricht man auch von Schallstrahlungskraft.

Durch Überlagerung des Schallstrahlungsdruckes mehrerer Ultraschallquellen lassen sich im dreidimensionalen Raum Zonen mit erhöhtem Druck erzeugen, die wie ein reales Objekt tastbar sind. Derzeit lässt sich ein Druck von 1,6 p in einer Region von 20 mm Durchmesser erzeugen.

Entstehung des Schallstrahlungsdruckes

Ursache für die entstehende Kraft ist ein unterschiedliches Verhalten der Luftteilchen beim Abstoßen und Ansaugen am Schwingungserzeuger im Verlauf einer Periode, das bei hoher Frequenz, abhängig vom Medium, auftritt. Kann sich das Medium beim Zurücksaugen nicht ausreichend schnell ausdehnen, strömen zusätzliche Partikel seitlich nach^[3]. Die Abstoßung verschiebt somit das einzelne Luftteilchen im Schallstrahl etwas weiter weg, als es zurückgesaugt werden kann, wodurch eine von der Ultraschallquelle weggerichtete Strömung (sogen. Quarzwind) entsteht. Aus dieser resultiert beim Auftreffen auf ein Hindernis eine Kraft, die als Schallstrahlungsdruck bezeichnet wird.^[4]

Ein anderer Ansatz erklärt die Schallstrahlungskraft theoretisch mit Hilfe eines Schallstrahlungs-Spannungstensors. Dieses Verfahren ermöglicht es, aus der messbaren Schallstrahlungskraft mittels theoretischer Formeln Rückschlüsse über die von der Schallquelle abgegebene Leistung zu ziehen.^[5]

Berechnung

pS = ρE = I / c ^[6]

Anwendungen

• Ultraschallnebler. Durch die aus dem Schallstrahlungsdruck an der Grenzfläche auftretenden Verwirbelungen wird ein flüssiges Medium vernebelt. ^[7]
• „Airborne Ultrasound Tactile Display“, Forschungsprojekt der Universität Tokyo, Takayuki Hoshi.^[8]

Literatur

• F. Borgnis, Zur Physik des Schallstrahlungsdruckes in: Zeitschrift für Physik, Band 134, Nummer 3 , Juni 1953 Berlin / Heidelberg Volume 134, Number 3 / Juni 1953, Seiten 363-376
• Acoustic radiation pressure produced by a beam of sound J. Acoust. Soc. Am. Volume 72, Issue 6, pp. 1673-1687 (December 1982)
• A general theory of Rayleigh and Langevin radiation pressures. J Acoust Soc Jpn E(2000)

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.hep.princeton.edu/~mcdonald/examples/mechanics/beyer_josa_63_1025_78.pdf Radiation pressure—the history of a mislabeled tensor RT Beyer - The Journal of the Acoustical Society of America, 1978
2. ↑ Der Schallstrahlungsdruck in Flüssigkeiten. Hertz, G. und Mende, H. in: Zeitschrift für Physik 05/1939, Volume 114, Issue 5-6, pp. 354-367
3. ↑ http://www.pit.physik.uni-tuebingen.de/praktikum/anfaenger/US.pdf Dr. Torsten Hehl, Jan Bärtle: Ultraschall. Versuchsanleitung, Physikalisches Institut der Universität Tübingen 2003, S.138
4. ↑ http://www.physik.uni-regensburg.de/infra/vorlvorb/VorlVorb/Versuche/VK_13_4_C.htm Schallstrahlungsdruck in Luft Versuchsanordnung Fakultät für Physik, Univ. Regensburg
5. ↑ http://www.ptb.de/de/org/1/16/162/_162d50.htm Ultraschall-Leistungsmessung. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Arbeitsgruppe 1.62 - Ultraschall
6. ↑ http://e3.physik.uni-dortmund.de/e3b/PhysikB2_SS03/Wellen.PDF Prof. Dr. Roland Böhme, Univ. Dortmund: Wellen. Script B2 Physik SS2003,Abschnitt 5.3.1, Seiten 17f
7. ↑ http://www.pi1.physik.uni-stuttgart.de/teaching/Vorlesungsversuche/V425.html Versuchsanordnung zum Ultraschallsprudel, Physikalisches Institut, Univ. Stuttgart
8. ↑ „Airborne Ultrasound Tactile Display“, Forschungsprojekt der Universität Tokyo, Takayuki Hoshi