Körperschall

Körperschall

Körperschall ist Schall, der sich in einem Festkörper ausbreitet. Das umfasst so unterschiedliche Phänomene wie Erschütterungen und Erdbeben, die Übertragung von Schwingungen in Gebäuden, Fahrzeugen, Maschinen usw. oder auch die zur Werkstoffprüfung eingesetzten Ultraschallwellen.

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Grundlagen

Ein elastischer Festkörper kann im Unterschied zum ruhenden Fluid neben Normalspannungen auch Schubspannungen aufnehmen. Deshalb können sich im allseitig unbegrenzten Festkörper zwei verschiedene Arten Körperschallwellen ausbreiten, nämlich:

Diese Wellen breiten sich unabhängig voneinander aus. In beiden Fällen ist die Schallgeschwindigkeit, so wie auch beim Luftschall, nicht abhängig von der Frequenz. Die Schallgeschwindigkeit wird durch die Dichte, den Schubmodul (Transversalwellen) und den Elastizitätsmodul (Longitudinalwellen) beeinflusst.

Für technische Anwendungen ist die Schallausbreitung in dünnen Bauteilen, wie Platten und Balken von Interesse. Diese Bauteile sind begrenzte Festkörper mit schubspannungsfreier Oberfläche. Dadurch kommt es zur Kopplung zwischen Longitudinalwellen und Transversalwellen, wodurch weitere Arten von Körperschallwellen entstehen. Die bedeutendste Wellenart sind die Biegewellen, bei denen Biege-Verformungen auftreten. Die Schallgeschwindigkeit dieser Wellen ist deutlich geringer als die der Longitudinalwellen und Transversalwellen und sie ist frequenzabhängig (Dispersion). Biegewellen transportieren aber meistens deutlich mehr Schallenergie und sind die wesentliche Ursache für die Abstrahlung von Luftschall.

Wahrnehmung durch den Menschen

Körperschall kann durch den Menschen vor allem bei tiefen Frequenzen taktil wahrgenommen werden. Hörbar ist nur der durch den schwingenden Festkörper abgestrahlte Luftschall. Eine Ausnahme bildet in den Schädelknochen übertragener Körperschall, der direkt vom Innenohr wahrgenommen werden kann (Knochenleitung). Dieser Mechanismus ist nicht auf die Funktionsfähigkeit des Mittelohres angewiesen. Das wird bei Knochenleitungshörgeräten und für die Diagnose bei Schallleitungsstörungen eingesetzt.

Nachweis

Tonabnehmer an Musikinstrumenten

Kontaktmikrofone oder Körperschallmikrofone für Musikinstrumente arbeiten meistens mit piezoelektrischen, keramischen Sensoren. Sie sind kaum für Luftschall empfindlich wie herkömmliche Mikrofone, sondern nehmen an Oberflächen angebracht den Körperschall der Musikinstrumente direkt ab. Sie sind somit ein Sensor für die Schwingungen der Instrumente selbst (Resonanzböden, Trommelfelle, Korpusse usw.), auf die sie zum Beispiel aufgeklebt werden. Ihr größter Vorteil ist, dass es damit weniger Probleme mit Rückkopplungen bei der Schallabstrahlung über Verstärker und Lautsprecher bei der Beschallung gibt.

Der Körperschall von Musikinstrumenten ist jedoch nicht identisch mit dem von der Struktur abgestrahlten Luftschall, da die Einkopplung der Schwingung vom Instrument in das Medium Luft nicht berücksichtigt ist. Die Körperschallabnahme ist daher kein vollwertiger Ersatz der Luftschallaufnahme.

Technische Anwendungen

Die Aufnahme und Analyse von Körperschall spielt in der Technik eine große Rolle. So können die akustischen Eigenschaften von Kraftfahrzeugen oder auch der technische Zustand (Verschleiß der Lager, kritische Zustände bei der spanabhebenden Bearbeitung) von Maschinen und Generatoren kontrolliert werden.
Weiterhin können Rissentstehung und Materialversagen registriert werden. Ein Beispiel hierzu sind Einbruchsensoren an Fensterscheiben. Die dabei verwendeten Tonabnehmer arbeiten wie bei den Musikinstrumenten auf der Basis des piezoelektrischen Effektes (Piezoeffekt). Die Auswertung der gewonnenen elektrischen Signale umfasst das Auffinden charakteristischer Frequenzanteile und Schallamplituden.

Seismometer registrieren prinzipiell ebenfalls Körperschall, jedoch mit längeren Wellenlängen. Anhand natürlicher oder künstlicher seismischer Ereignisse ist man in der Lage, Ort und Art der Ereignisse zu bestimmen sowie auch Untersuchungen des Erdinneren vorzunehmen. Die Grundlage hierzu ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Longitudinal- und Transversalwellen sowie deren Reflexion und Beugung an Schichtstrukturen.

Die Fachhochschule Ingolstadt forscht seit einiger Zeit in Zusammenarbeit mit der Industrie an den Möglichkeiten der Körperschallmessung zur Crasherkennung (CISS: Crash-Impact-Sound-Sensing-System). Dieses soll in wenigen Jahren in Serie gehen. 2008 wurde das Team der Fachhochschule Ingolstadt für die Forschung an dem Körperschall-Airbag mit dem Bayerischen Innovationspreis ausgezeichnet, der mit 50.000 Euro dotiert ist. [1]

Einzelnachweise

  1. Bayerisches Landesportal: Bayerischer Innovationspreis 2008 verliehen. Bayern (2. Juni 2008). Abgerufen am 29. Mai 2011.

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