Re: Schall-/Lichtabsorption

From	Dieter Michel <dmichel@prosound.de>
Newsgroups	de.sci.physik
Subject	Re: Schall-/Lichtabsorption
Date	2020-08-12 13:48 +0200
Message-ID	<hpi38eFpm8gU1@mid.individual.net> (permalink)
References	<hpfl8aFa3ifU1@mid.individual.net>

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Hallo Albrecht,

> Bei gleicher Bestrahlungsstärke (W/m²) > > - wird Licht von einigen, z.B. aufgedampften, Atomlagen absorbiert
> - geht Schall einfach durch ein dickes Blech 'durch'. > > Warum ist das so?

Licht sind elektromagnetische Wellen, Schall ist mechanische
Wellenausbreitung in einem Medium - also schonmal zwei
verschiedene Vorgänge, die halt das Phänomen "Wellenausbreitung"
gemeinsam haben.

Das, was Du mit den einigen Atomlagen meinst, wird
vermutlich eher Reflexion an metallischen Schichten sein,
die tatsächlich sehr dünn sein können.

> Makroskopische Werte, z.B. Absorptionskoeffizienten,
> sind _nicht_ gefragt, weil sie nur beschreiben, aber
> nichts erklären. Gemeint ist das Verständnis auf
> atomarem Maßstab, [...]

Dazu kann man natürlich ganze Physikbücher schreiben,
deshalb ist eine kurze Erklärung zwangsläufig unvollständig.

In Metallen kann man die äußeren Elektronen (Leitungselektronen)
der Atome als frei beweglich betrachten ("Elektronengas", ok,
mit verschiedenen Näherungen, aber für die Erklärung reichts).

Fällt Licht auf eine Metallfläche, erzeugt die elektro-
magnetische Welle z.B. auch eine elektrische Feldkomponente
parallel zur Grenzfläche. Dieses Feld bewirkt eine
Kraft auf die frei verschiebbaren Elektronen, die
sich so verschieben, dass die Horizontalkomponente des
elektrischen Feldes Null wird. Die Auswirkung dieser
Verschiebung besteht darin, dass eine zweite elektro-
magnetische Welle (reflektiertes Licht) erzeugt wird,
die sich mit der einfallenden so überlagert, dass in
der Metalloberfläche die Horizontalkomponente des
E-Feldes Null wird. Metalloberflächen reflektieren
also erst einmal diese Komponente des einfallende, Lichts.

Wegen der freien Beweglichkeit der Leitungselektronen
kann man in einem Metall das elektrische Feld der
Lichtwelle kaum aufrecht erhalten, deshalb klingt die
elektromagnetische Welle im Metall auf sehr kurzer
Distanz (kleiner Bruchteil einer Wellenlänge) stark ab.

Ein reales Metall hat auch keinen spezifischen
Widerstand von Null - die Bewegung der Leitungselektronen
führt daher dazu, dass der Teil der Energie der Lichtwelle,
der nicht reflektiert wird, letztendlich in Wärme umgesetzt
wird.
Mikroskopisch kommt der endliche Widerstand durch Streuprozesse
der Elektronen zustande, die einer Beschleunigung entgegenwirken.
Stichwort zum Nachlesen der Details wäre da z.B. Drude-Modell.

Bei Schall ist es eigentlich nicht so, dass eine Schallwelle
durch ein dickes Blech einfach so durchgeht. Man könnte aber
eventuell den Eindruck bekommen, dazu etwas mehr weiter unten.

Luftschall basiert ja auf einer periodischen Druck- bzw.
Dichteveränderung in der Luft, die sich als Welle ausbreitet.
Die einzelnen Luftmoleküle schwingen dabei um eine Ruhelage.

Luft hat nun eine Dichte von 1,2041 kg/m³, Eisen (Blech) eine
sehr viel höhere, nämlich ca. 7874 kg/m3.

Da Schall eine mechanische Welle ist, müssten an der Luft-Blech-
Grenzfläche die Luftteilchen die Eisenatome im Kristallgitter
des Blechs in Schwingung versetzen. Da die Dichte von Eisen
vieltausendmal höher ist als die von Luft, und weil die Eisenatome
nicht frei beweglich sind, schwingt die Oberfläche der Blechplatte
nicht genauso wie die Luftmoleküle in der (Luft-)Schallwelle.

An der Grenzfläche werden die Luftmoleküle also stark abgebremst.
Die Blechplatte erzwingt fast (ein bisschen wird die Blechplatte
schon auch zu Schwingungen angeregt), dass die Luftteilchen sich
an der Grenzfläche fast gar nicht bewegen (Schallschnelle fast null).
Wegen Energie- und Impulserhaltung an der Grenzfläche wird ein
großer Teil der Schallenergie reflektiert, dringt also gar nicht
in das Blech ein.

Das ist das Funktionsprinzip der Schalldämmung - z.B. bei
Maschinen mit einer Kapselung). Mit einer 1mm dicken Kapselwand
aus Stahl, kann man - sehr grob über den Daumen gepeilt -
durchaus 30dB Schalldämmung erreichen. Das ist eine Reduktion
der Schalleistung auf etwa ein Tausendstel. Da kann man also von
einfach so durchgehen nicht unbedingt sprechen.

Was Du vermutlich meinst ist, dass man mit einer Blechplatte
in der Hand Schall nicht großartig abschwächen kann, Licht aber
ohne Probleme.

Das liegt aber daran, dass die Wellenlängen von Licht und
Schall drastisch unterschiedlich sind. Sichtbares Licht hat
Wellenlängen von deutlich unter einem Mikrometer.

Schallwellenlängen im hörbaren Bereich reichen aber von
etwa 2cm bis etwa 17m.

Eine - sagen wir - 30cm x 30cm große Stahlplatte ist also
ca. 400.000 bis 800.000 mal größer als die Lichtwellenlänge,
aber nur 0,02 bis 15 mal größer als die Schallwellenlänge.

Das bedeutet, dass bei Schall Beugungseffekte eine sehr viel
größere Rolle spielen als bei Licht, was die Beeinflussung
der Wellenausbreitung durch die Stahlplatte angeht. Generell
beeinflußt ein Objekt die Wellenausbreitung, wenn seine
Abmessungen mit der Wellenlänge vergleichbar werden.

Objekte, die kleiner sind als etwa eine halbe Wellenlänge
stören das Wellenfeld kaum, weil die Welle um das Objekt
herumgebeugt wird. Den Effekt Beugung zu erklären, führt
hier sicher zu weit, steht aber in einschlägigen
Physikbüchern.

Bei Schall wird es also so sein, dass die besagte Blechplatte
bis etwa 570Hz kaum ein Hindernis für die Schallausbreitung
sein dürfte, und auch darüber ein Abschattungseffekt noch
nicht sehr ausgeprägt ist. Deshalb kann der Eindruck entstehen,
dass der Schall durch die Blechplatte einfach durchgeht
- tatsächlich aber geht der Schall sozusagen darum herum.

Erst wenn die Schallquelle komplett vom Blech umgeben ist
(Kapsel), muss der Schall wirklich durch das Blech hindurch
und kann nicht sozusagen einen leichteren Weg gehen. Dann
bekommt man auch durch das Blech eine merkliche Schalldämmung.

Bei Licht kann man in diesem Zusammenhang Beugungseffekte
vernachlässigen und mit klassischer Strahlenoptik arbeiten.
Wenn man den Lichtstrahl mit der Platte unterbricht, ist
das Licht weg (oder halt woanders wg. Reflexion). Es wird
praktisch kein Licht um die Platte herumgebeugt, weil sie
viele hunderttausendmal größer ist als die Wellenlänge.

Dann gibt es noch einen weiteren Unterschied zwischen
Licht und Schall, nämlich den, dass Photonen wesentlich
mehr Energie haben als Phononen (Quanten der Gitterschwingung
in Festkörpern). Eine gängige Energieeinheit in der
Teilchenphysik ist das Elektronenvolt (eV).

Eine Abschätzung findest Du z.B. in:

https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw2_ge/kap_4/advanced/t4_3_2.html

Photonen im Bereich sichtbaren Lichts haben danach Energien
in der Größenordnung 2,4eV, Phononen nur 0,06eV.

In Festkörpern, die keine reinen Metalle sind, sondern
z.B. Halbleiter, können Photonen (Lichtteilchen) weitere
Effekte bewirken, beispielsweise Fluoreszenz oder den
photovoltaischen Effekt, der z.B. für Solarzellen genutzt wird.
Diese Effekte tragen auch dazu bei, Licht im Festkörper
zu absorbieren und dann z.B. als elektrische Energie oder
als Lichtemission anderer Wellenlänge wieder freizusetzen.
Mit Photonen funktioniert das, weil die notwendige Energie
für solche Prozesse im Festkörper vergleichbar ist mit der
Energie von Photonen im sichtbaren Bereich.

Mit Schall funktioniert das nicht, weil die Energie der
Phononen (bei weitem) nicht groß genug ist.

Das ist jetzt in der Darstellung alles sehr verkürzt
und vereinfacht. Ausführlich würde es ein halbes Physikbuch
(das ich eh nicht schreiben könnte), in dem man das Ganze
natürlich auch nachlesen kann.

Viele Grüße

Dieter

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