Frage zu kohärenten und inkohärenten Schallquellen

[gonzo1]

Hi,

habe mich hier angemeldet weil ich folgende Fragen nicht beantworten konnte:

1. Treten kohärenten Signale in der Realität überhaupt auf? Theoretisch habe ich in der Praxis eine Mischung aus kohärenten und inkohärenten Signalen oder?

2. Interferenz tritt nur bei kohärenten Signalen auf. Eigentlich tritt sie bei inkohärenten Signalen auch auf, nur eben nicht so schön sichtbar oder?

3. Bei inkohärenten Signalen addiert sich die Leistung, bei kohärenten Signalen der Schalldruck. Wie bereits erwähnt, habe ich eigentlich eine Mischung aus beidem wobei der Anteil inkohärenter Signale höher ist. Folglich stimmt die Formel zur Leistungsaddition verschiedener Geräuschquellen nur näherungsweise oder?

4. Berücksichtigt ein Schallpegelmessgerät inkohärente und kohärente Signale?

5. Wenn eine Schallausbreitung im Freifeld stattfindet, erreicht mich der Schall direkt oder indirekt wie z.B. über Bodenreflexionen. Diese Schallwellen sind immer kohärent, denn die Wellen werden ja von einer Schallquelle erzeugt? Somit habe ich an verschiedenen Punkten eine Auslöschung der Wellen oder eine Verstärkung oder? Kann der Schalldruckpegel dadurch in einigen Punkten höher sein als der, den die Schallquelle aussendet? Die Energie kann ja nicht mehr werden.

Vielen Dank um eine Antwort!

 

[EC2]

Herzlich Willkommen im Forum.

Interessante Fragen sind das. In der Form habe ich da noch gar nicht drüber nachgedacht. Ich versuche mich mal mit meinem immer stärker verblassenden physikalischen Wissen an einem dilettantischen Antwortversuch - ohne Gewähr. Bestimmt findet sich hier im Forum jemand, der wesentlich kundiger ist als ich.

1. Wenn man einen Monomix in einem anechoischen Raum über zwei exakt gleich ausgesteuerte Lautsprecher wiedergibt hat man m.E. ein kohärentes Signal. Kommt halt drauf an was du unter Realität verstehst.

2. Interferenzen treten m.W. sowohl bei kohärenten als auch bei inkohärenten Signalen auf. Bei der Interferenz kohärenter Signale können im Gegensatz zu inkohärenten Signale jedoch stabile Wellen mit zeitlich konstanter Amplitude und Frequenz entstehen. Interferenzen aus inkohärenten Signale sind dagegen nicht konstant, wenngleich nichtsdestotrotz vorhanden.

3. Das der Leistungsaddition zugrundeliegende logarithmische Maß ist eh nur eine Annäherung an die Wahrnehmung unseres Gehör, daher vermutlich ja.

4. K.A.

5. Freifeld ist m.W. ja so definiert, dass Reflexionen durch Gegenstände und Flächen gegenüber dem direkten Feld zu vernachlässigen sind. Aber ja, der Schall kann dich auch über Bodenreflexionen erreichen. Und ja, diese Reflexionen sollten theoretisch in einer stabilen Phasenbeziehung zum Direktschall stehen und somit stabile Interferenzen erzeugen - in der "Realität" verlaufen Reflexionen jedoch kaum verlustfrei. Und ja, aufgrund des Kammfilterffekts kann es an der Hörposition zu einer Verstärkung des Schalldrucks kommen, da sich durch die Phasenverschiebung die Amplitude ändern kann. Auch bei inkohärenten Signalen kann sich der Schalldruckpegel als Summenpegel an der Hörposition gegenüber der relfexionsfreien Schallausbreitung erhöhen.

 

[gonzo1]

Vielen Dank für deinen Beitag.

Warten wir mal ab ob sich noch wer meldet.

 

[Ran]

Nur ganz kurz: Immer wenn ein Signal mit 2 oder mehreren Mikros aufgenommen wird kann man üble Probleme bekommen. Klassisches Beispiel ist dann halt Drumabnahme oder 2 Mikros vorm Gitarrenamp.

Und dann kommen ja auch die Signale wieder durch 2 Lautsprecher (Mono Signal durch Stereo-Abhöre). Sind also alles durchaus berechtigte Probleme die Quasi herbeigeführt werden. Daraus läßt sich schon recht viel ableiten, jetz aber raus, scheint mal die Sonne hier

 

[Fritz]

Hallo, ja, sehr interessantes Thema, über das hin und wieder auch mal in meinem Hinterkopf rumgeistert. Ich werde mal ein paar Gedanken dazu schreiben (definitiv auch hinterfragenswert!).

Hi,

habe mich hier angemeldet weil ich folgende Fragen nicht beantworten konnte:

1. Treten kohärenten Signale in der Realität überhaupt auf? Theoretisch habe ich in der Praxis eine Mischung aus kohärenten und inkohärenten Signalen oder?

Welche Praxis wovon?! Ich würde mal sagen das hängt stark von den beteiligten Schallquellen ab, daher würde ich sagen, ja im Allgemeinen hat man es sowohl mit kohärenten und nichtkoärenten Signalen zu tun.

2. Interferenz tritt nur bei kohärenten Signalen auf. Eigentlich tritt sie bei inkohärenten Signalen auch auf, nur eben nicht so schön sichtbar oder?

Meines Wissens nach gibt es per Definition Interferenz bei kohärenten Signalen, also solchen die eine "feste Phasenbeziehung" zueinander (also sich eine nicht mit der Zeit ändernde Phasenverschiebung gegeneinander) haben.
Jetzt können aber mWn Signale, deren Phasenbeziehungen mit der Zeit (zb nur langsam) ändern in gewissen Zeiten nahezu kohärent angesehen werden. Oder so ähnlich .

3. Bei inkohärenten Signalen addiert sich die Leistung, bei kohärenten Signalen der Schalldruck. Wie bereits erwähnt, habe ich eigentlich eine Mischung aus beidem wobei der Anteil inkohärenter Signale höher ist. Folglich stimmt die Formel zur Leistungsaddition verschiedener Geräuschquellen nur näherungsweise oder?

Nun, im Prinzip ist es so: Wenn sich koheränte Signale im Feld (Schallfeld) irgendwo überlagern, sie können per Definition interferieren, kann es zu destruktiver Interferenz kommen (feste Phasenbeziehung von 180°). Es kommt also an gewissen Stellen zu Auslöschungen und damit ist die Amplitude des resultierenden Signales dort Null! Wo keine Amplitude keine Leistung! Man muss also bei kohärenten Signalen den Schalldruck, der eine (lineare) so genannte Feldgröße ist, addieren! Würde man die Leistung (oder Energie; die sogenannten Energiegrößen) addieren würde man einen Fehler machen, denn im Falle der Auslöschung ist dort keine Amplitude und damit keine Leistung.

Weil aber nichtkohärente Signale gar nicht interferieren können, sich ergo auch nicht Auslöschen können muss man das nicht berücksichtigen; es kann nie zu null Leistung kommen (an irgendeinem Ort des Schallfeldes) durch Überlagerung der nichtkohärenten Signale. Daher kann man einfach die Leistungen addieren.

Die von dir angesprochen Formel sollte exakt gelten wenn tatsächlich die Quellen alle nichtkohärente Signale angeben (oder in guter Näherung das so angenommen werden kann?).

Es ist denke ich nicht auszuschließen dass es Signale gibt bei denen gewisse Anteile koheränt sind untereinander; Hm.

4. Berücksichtigt ein Schallpegelmessgerät inkohärente und kohärente Signale?

Naja, ich würde mal sagen: Wie soll der Gerät das denn riechen?! Ein Schallpegelmessgerät misst den Schalldruck, ergo auch einen durch Interferenz reduzierten, oder?! (Wobei, kommt das nicht sogar auf das benutzte Mikrofon an? Schalldruck vs. Schalldruckgradientenempfänger?! Wobei in der Regel hat man da wohl eh eine Kugel drauf, also ersteres).

5. Wenn eine Schallausbreitung im Freifeld stattfindet, erreicht mich der Schall direkt oder indirekt wie z.B. über Bodenreflexionen. Diese Schallwellen sind immer kohärent, denn die Wellen werden ja von einer Schallquelle erzeugt? Somit habe ich an verschiedenen Punkten eine Auslöschung der Wellen oder eine Verstärkung oder? Kann der Schalldruckpegel dadurch in einigen Punkten höher sein als der, den die Schallquelle aussendet? Die Energie kann ja nicht mehr werden.

"Unter Freifeld versteht man in der Akustik eine Schallsituation, in der keinerlei Reflexionen auftreten." Aus: https://de.wikipedia.org/wiki/Freifeld

Reflexionen sollten sich zum Direktsignal jedenfalls kohärent verhalten; sie können zwar geschwächt und in der Phase verschoben werden, aber diese Phasenbeziehung ist dann ja auch fest (zeitlich konstant), solange sich die Quelle nicht bewegt. (Oder?!)

Welchen Pegel sendet die Quelle denn überhaupt aus? Und in welche Richtung? -> Quellen werden mWn durch eine Schallleistung charakterisiert. Wenn den Empfänger jedenfalls mehrere Pfade (Direktpfade + Reflexionen) erreichen, wird der Pegel dort idR höher sein als wenn nur der Direktpfad alleine ist (außer man sitzt in einem "Funkloch" wo diese Signale sich alle gegenseitig auslöschen ). -> Deswegen haben Konzertsääle auch Wände, damit man mehr vom Signal hat (ja ja, nicht nur dafür...). (bei zu langen Reflektionspfaden -> hörbares Echo)

 

[m_tree]

Ich denk du betrachtest das zu kompliziert.

Erstmal gibt es keine grundlegenden physikalischen Phänomene, die in der Praxis zu 100% der Theorie entsprechen. Daher müssen auch ellen lange und komplexe Berechnungen angestellt werden, um praktische Vorgänge theoretisch korrekt zu beschreiben. Simples Beispiel: Freier Fall. Die Beschleunigung ist in Erdnähe zwar 9,81m/s², reicht aber nicht aus um die tatsächliche Beschleunigung zu berechnen. Der Luftwiderstand ist hier das Problem, wozu man dann auch Dichte und Form des fallenden Körpers berücksichtigen muss.

Zwei kohärente, exakt zu 180° verschobene Signale löschen sich komplett aus. Wenn du einen Track in der DAW kopierst und bei einem die Phase umpolst, bleibt nix mehr übrig.

Ich würde schon sagen, dass es kohärente Signale in der Praxis gibt. Einfaches Beispiel: Symmetrische Kabelführung. Genau da macht man sich destruktive Interferenz zu Nutze, um Störanteile im Nachhinein heraus zu filtern. Das Signal wird aufgesplittet und die beiden Phasen werden exakt 180° phasenverschoben (also umgepolt) übertragen. Störanteile haben allerdings den gleichen Einfluss auf beide Phasen. Werden die Phasen nach der Übertragung wieder gedreht und zusammemgefügt, löschen sich die Störanteile aus (destruktive Interferenz).
Eigentlich ein Paradebeispiel dafür, dass es in der Praxis nichts 100%iges gibt, denn die Störanteile machen aus den 100% kohärenten Signalen inkohärente Signale.

Noch ein Beispiel:
Du mischst eine Kopie eines unbearbeiteten Monosignals in deiner DAW mit exakt gleichem Pegel und ebenfalls unbearbeitet zusammen. 100%ige Kohärenz und 100%ige konstruktive Interferenz. Die Lautstärke verdoppelt sich ganz einfach (doppelter Schalldruck bzw. +6dB). Und das ist jetzt auch wirklich reine Theorie, weil es deiner DAW ziemlich egal ist, ob du den Fader hochziehst oder zwei mal den gleichen Track zusammen mischst.

In der Praxis gibt es wie gesagt nichts 100%iges.

 

[gonzo1]

Haben sich doch noch ein paar Physiker gemeldet

Danke für eure Hilfe. Worauf ich hinaus will:

Es geht um Verkehrslärm. Schallwellen sind Schallwellen, egal ob sie aus einem Lautsprecher oder eines Motors kommen. Habe mich hier angemeldet da ich denke, dass es hier einige Leute geben wird die sich mit Akustik auskennen wie auch jetzt bestätigt wurde.

Zum Beispiel fahre ich durch einen Tunnel, dann kommt mir der Sound lauter vor. Das wäre ein klassisches Beispiel, dass es Pegelerhöhungen geben kann die höher sind als die Schallquelle selbst. Oder sehe ich das falsch? Oder gibt es hier so viele Einflussfaktoren wie Nachhall etc., sodass man das nicht pauschal sagen kann?

Ich weiß, Verkehrslärm hat wenig mit dem Forum hier zu tun. Aber es geht nur um die Physik die hinter den Schallwellen steckt.

Theoretisch sollte das Schalldruckmessgerät 3 dB mehr anzeigen bei zwei gleichlauten nebeneinanderstehenden Fahrzeugen. Steuere ich jetzt 2 Lautsprecher mit dem gleichen Signal an, müsste das Messgerät 6 dB mehr anzeigen?

 

[Ran]

Intressantes Bespiel, hat allerdings nur bedingt etwas mit dem Messbaren zu tun. Klar, es gibt durch Reflektionen stellenweise Erhöhungen des Pegels, aber halt auch nur Stellenweise. Was da viel entscheidender ist, dass die Reflektionen da sind und dazu führen, dass es lauter wirkt. Man bekommt innerhalb eines Zeitraums mehr Informationen ab. Vor allem Dingen bekommst du in dem Tunnel dann auch von mehreren Autos den Schallpegel besser ab. Würdest du den Tunnel schalltot machen, wäre nix lauter, nur weil du dich in einem Tunnel befindest (naja, zumindestens wäre es wesentlich angenehmer als gekachelt).
Bei dem Messgerät verhällt es sich ähnlich: Kommt drauf an, wo du dich befindest. Wenn du genau in der Mitte bist wird das Signal doppelt so laut, wenn du einen Abstand zu den boxen von der Hälfte der Wellenlänge oder deren vielfachen hast hörst du nix. Ist auch echt mal n nettes Experiment was man mal eben nachbauen kann. Sinusgenerator anschmeisen bei sagen wir mal 40 Hz (bei hohen Frequenzen geht das nicht so gut bzw. sind die Abstände dann zu gering..) und dann einfach mal hin und her bewegen. Wer das mal gemacht hat, sieht bzw. hört die Welt mit anderen Ohren

Edit: Natürlich gibt es auch in der Natur Wellen die sich annähernd kohärent verhalten und sich damit gegenseitig beeinflussen. Besonders wenn es mehrere Schallquellen sind, die ähnliche Töne von sich geben. Man sollte sich immer vor Augen halten (bei Schall zwar n bisschen doof aber naja), dass Schall ja aus Druckunterschieden besteht.