Das Wichtigste in Kürze...
Mechanische Schwingungen im hörbaren Frequenzbereich von 16 Hz bis 20 kHz nennt man Schall.
Was ist Schall - eine Definition
Damit sich Schall ausbreiten kann, muss ein Übertragungsmedium vorhanden sein (Gas, Flüssigkeit oder Festkörper). Es wird zwischen Luftschall, Flüssigkeitsschall und Körperschall unterschieden.
Schallübertragung und Schallarten
Die Schallausbreitung in der Luft erfolgt durch die Bewegung von Gasmolekülen, welche einen Druckunterschied weiterleiten und auf diese Weise ein Signal übermitteln.
Wie entsteht eigentlich Schall?
Die schnellen Luftdruckschwankungen, die wir als Schall wahrnehmen, liegen bei einem normalen Gespräch nur bei etwa 0.05 Pa (1/2'000'000 des atmosphärischen Luftdrucks).
Schalldruck und Schalldruckpegel
Schall breitet sich als longitudinale Welle in einem Medium aus. Die Teilchen des Mediums bewegen sich durch die Schallwelle um ihre Ruhelage, sie werden jedoch nicht mit der Welle transportiert. Schallwellen transportieren Energie und Information, aber keine Materie!
Was ist eine Welle?
Die Frequenz f [Hz] gibt an, wie viele Wellenlängen (Perioden) in einer Sekunde durchlaufen werden. Es gilt: Frequenz = Schallgeschwindigkeit / Wellenlänge. Schall breitet sich in verschiedenen Materialien unterschiedlich schnell aus. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt 340 Meter pro Sekunde.
Frequenz, Wellenlänge, Amplitude und Schallgeschwindigkeit
Die Frequenz bestimmt die Tonhöhe, die Amplitude den Schalldruck (und damit auch wesentlich die Lautstärke).
Frequenz- und Amplitudenanstieg
Wenn sich ein Krankenwagen mit Sirene auf uns zu bewegt, dann erhöht sich die Frequenz und damit die Tonhöhe. Wenn es sich entfernt, sinkt die Frequenz.
Der Dopplereffekt
Unter Schall versteht man mechanische Schwingungen in einem gasförmigen, flüssigen oder festen Stoff mit Frequenzen im Hörbereich des menschlichen Gehörs. Die Frequenz wiederspiegelt die Anzahl Schwingungen der Schallwelle pro Sekunde, gemessen in Hertz [Hz]). Der Hörbereich des Menschen liegt zwischen 16 Hz und 20'000 Hz, wobei die obere Grenze mit zunehmendem Alter zu kleineren Frequenzen hin abnimmt, hohe Töne von Erwachsenen also meistens schlechter wahrgenommen werden können als von Kindern.
Schallwellen mit Frequenzen unterhalb von 16 Hz werden als Infraschall, solche mit einer Schwingungszahl von über 20'000 Schwingungen pro Sekunde als Ultraschall bezeichnet. Diese für den Menschen unhörbaren Bereiche werden von einigen Tierarten wahrgenommen und zur Kommunikation oder zur Orientierung genutzt. Fledermäuse können sich dank Ultraschall-Echolot auch in der Nacht sehr gut orientieren. Von einigen Wal-Arten weiss man, dass sie sich per Infraschall über Distanzen von mehreren Kilometern verständigen können. Auch das Brüllen von Tigern enthält einen für uns Menschen unhörbaren Anteil im Infraschallbereich, welcher für Artgenossen in bis zu acht Kilometer Entfernung hörbar ist.
Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen wie Licht, Mikrowellen und Radiowellen können sich Schallwellen nicht im luftleeren Raum ausbreiten. Schallwellen brauchen ein sogenanntes Übertragungsmedium aus beweglichen Teilchen, welche die Welle weiterleiten. Ein solches Medium sind beispielsweise Luft, Wasser, Mauerwerk oder Eisen. Der Mensch ist vor allem an die Schallübertragung durch die Luft gewöhnt: beim Sprechen, Musikhören, dem Surren des PC-Lüfters etc.
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| Quelle: Büchlein "Humoristische Lärmbekämpfung" |
Die Übertragung von Schallwellen durch die Luft wird als Luftschall bezeichnet. Man unterscheidet direkten und indirekten Schall. |
Als Körperschall werden mechanische Schwingungen bezeichnet, die sich in festen Stoffen ausbreiten. Körperschall kann vom Ohr nicht wahrgenommen werden. Er wird jedoch durch Abstrahlung von Wänden, Böden und anderen Oberflächen in Luftschall umgewandelt, den das Ohr wahrnimmt. Die Oberfläche verhält sich wie die bewegliche Membran eines Lautsprechers und versetzt dadurch die Luft in Schwingung (auch eine dicke Mauer kann schwingen). Beispiele für Körperschall sind: Hämmern, Fallenlassen von Gegenständen, Begehen des Bodens oder einer Treppe (was in der Bauakustik als Trittschall bezeichnet wird).
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| Quelle: Büchlein "Humoristische Lärmbekämpfung" |
Körperschall bezeichnet die mechanischen Schwingungen, die sich in festen Stoffen ausbreiten. Eine spezielle Art von Körperschall ist der sogenannte Trittschall (rechts) |
Oft tritt auch kombinierte Schallübertragung auf. Bei den Streich- und Zupfinstrumenten wird eine Saite zum Schwingen gebracht, die diese Schwingungen per Körperschall auf den Resonanzkörper überträgt. Im und um den Resonanzkörper geschieht dann die Anregung der Luft, die den Klang schliesslich zu unseren Ohren trägt.
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| Quelle: Büchlein "Humoristische Lärmbekämpfung" |
Eine Kombination aus Körperschall und Luftschall ist bei Musikinstrumenten (z.B. Trommel, Geige) häufig für den charakteristischen Klang verantwortlich. Die Bauweise hat ausserdem Einfluss auf die erzeugbare Lautstärke und vor allem auf die Klangfarbe. |
Das Fehlen eines Übertragungsmediums bewirkt, dass es im beinahe teilchenleeren Weltall absolut still ist! Wäre dies nicht der Fall, könnten wir die Sonne nicht nur sehen, sondern auch die gewaltigen Eruptionen auf der Oberfläche hören!
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Sonnenoberfläche mit riesigen Eruptionen (Protuberanzen). Der interstellare Raum ist beinahe teilchenleer. Das Schallübertragungsmedium fehlt, darum ist es absolut still. Wäre ein Übertragungsmedium vorhanden, könnte man die aktive Sonnenoberfläche nicht nur sehen, sondern auch hören. |
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| Quelle: http://npf-geofizika.ru/ leuza/kosmos.htm |
Schall entsteht durch das Zusammendrücken oder Ausdehnen von Materie, hervorgerufen durch die Bewegung einer angrenzenden Oberfläche (z.B. von Luft, mit einer Lautsprechermembran). Die Teilchen der Materie werden dadurch in einem gewissen Umkreis der Schallquelle kurzfristig dichter gegen einander gepresst, was einen Druckunterschied zur Umgebung ergibt. Die Teilchen versuchen diesen Druckunterschied abzubauen, indem sie ihrerseits auf die benachbarten Teilchen "drücken". Diesen Nachbarn geschieht nun das Gleiche wie zuvor den Teilchen bei der Membran. Sie geben den Druckunterschied wiederum weiter. So pflanzt sich also ein Druckunterschied (Störung) wellenartig durch das Medium fort. Je grösser die Bewegung resp. Störung zu Beginn, desto grösser ist der sogenannte Schalldruck. Je nach Medium handelt es sich bei den Teilchen um Atome oder Moleküle. Da unsere Umgebungsluft aus rund 78% Stickstoff und 21% Sauerstoff besteht, sind es vorwiegend die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, welche in der Luft eine Schallwelle bilden können.
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| Quelle: www.kemt.fei.tuke.sk/Predmety/KEMT320_EA/_web/ Online_Course_on_Acoustics/ |
Schallausbreitung in der Luft erfolgt durch die Bewegung der Gasmoleküle, welche den Druckunterschied weiterleiten und so ein Signal übermitteln. Je grösser die Amplitude, desto grösser ist der Schalldruck und desto energiereicher ist die Schallwelle. |
Die hörbaren Druckschwankungen sind, verglichen mit dem atmosphärischen Luftdruck, winzig klein. Sie sind, physikalisch gesprochen, dem vorherrschenden Luftdruck überlagert und werden als Schalldruck bezeichnet. Die Abkürzung für den Schalldruck ist P und die Einheit ist Pascal [Pa]. Durch ein normales Gespräch werden Druckschwankungen von ca. 0.05 Pa verursacht, dies entspricht in etwa 1/2'000'000 des atmosphärischen Luftdrucks.
Wetterveränderungen lassen den Luftdruck innert Tagen hingegen um mehrere tausend Pa schwanken! Selbst beim Treppensteigen entstehen durch den Höhenunterschied Druckschwankungen von mehreren 10 Pa. Diese Druckveränderungen sind jedoch sehr langsam im Vergleich zu den Druckveränderungen von Schallwellen. Deshalb ist unser Gehör ausgerichtet, nur die schnellen Luftdruckschwankungen zu registrieren.
Um dies zu bewerkstelligen, hat sich die Natur einen einfachen, aber genialen Trick einfallen lassen: Der Luftdruck auf der Trommelfellinnenseite wird ständig dem vorherrschenden Druck auf der Trommelfellaussenseite angepasst. Dieser Druckausgleich zwischen Aussen- und Innenseite erfolgt über die sog. Eustach'sche Röhre. Beim Gähnen oder bei anderen Kieferbewegungen wird diese Verbindung zwischen Rachenraum und Mittelohr geöffnet und der Druck ausgeglichen.
Der vorhandene, statische Luftdruck wirkt nämlich auf der Trommelfell-Aussen- und -innenseite gleichermassen. Deshalb hat er keinen Einfluss auf das Hören.
Da der Schalldruck eines Tones so klein ist, wird zur Angabe der Stärke des Schalls der Schalldruck eines Tones mit dem Druck eines gerade noch wahrnehmbaren Tones bei 1000 Hz verglichen. Diesen relativen Bezug nennt man Schalldruckpegel L oder kurz Schallpegel. Die Massangabe erfolgt in Dezibel [dB] (mehr dazu im Kapitel "Schallpegel, Lautstärke und Schallmessung").
Jeder hat schon mal die Wellen beobachtet, die entstehen, wenn man einen Stein ins Wasser wirft.
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| Quelle: http://www.fh-augsburg.de/ ~clemen/lehre/few/few_start.htm |
An der Oberfläche breiten sich Wellen in konzentrischen Kreisen um den Ursprung der Störung aus. Ähnlich verhält es sich mit Schallwellen in der Luft. Charakteristisch für eine Welle ist ein periodisches Muster aus Wellenbergen und Wellentälern. Mathematisch lässt sich eine Welle elegant mit einer Sinus- oder Cosinuskurve beschreiben. Wenn sich die Teilchen in Ausbreitungsrichtung einer Welle hin und her bewegen, spricht man von longitudinalen Wellen. Diese Art von Wellen ist für die Schallübertragung in der Luft verantwortlich. In Flüssigkeiten und Festkörpern kann ausserdem noch eine andere Art von Wellen auftreten, bei der sich die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung hin und her bewegen. Diese Wellenausbreitung nennt man dann transversal.
| Quelle: Programm "moving acoustics", Chalmers Vibroacoustic Group |
Longitudinale und transversale Wellenausbreitung im Vergleich. Die Wellen laufen in beiden Beispielen von links nach rechts. Bei den longitudinalen Wellen ändert sich die vertikale Ausrichtung der Teilchen nicht. Das rote Rechteck wird also lediglich horizontal gestaucht und gestreckt. Bei der transversalen Welle treten die Kräfte hingegen quer zur Richtung der Wellenausbreitung auf. Die Teilchen werden in beiden Fällen von der Welle zur Bewegung angeregt, sie werden aber nicht mit der Schallwelle transportiert. |
Wichtig ist, dass sich die Teilchen selbst nicht mit der Welle mitbewegen, sie bewegen sich nur um ihre mittlere Ruhelage hin und her. Man sagt, sie oszillieren. Die Teilchen bewegen sich auch nicht gleich schnell wie die Schallwelle. Die Welle transportiert also keine Materie, sondern Energie und Information. Durch das Verändern der Frequenz oder der Amplitude von Wellen können Daten mit den Wellen an einen Empfänger gesendet werden. Wenn diese Daten durch Interpretation einen Sinn ergeben, spricht man von Information. Dies ist die Grundlage für die Telekommunikation.
Wird Luft durch ein Instrument oder eine Maschine in regelmässige Schwingungen versetzt, breiten sich diese Schwingungen als Schallwellen aus. Die Zeit, die verstreicht, bis sich die Schwingung wiederholt, wird Periode oder Schwingungsdauer genannt und oft mit T bezeichnet. Die Anzahl Schwingungen (Perioden) pro Sekunde wird Frequenz f genannt und mit der Einheit Hertz [Hz] =[1/s] bezeichnet.
Damit entspricht die Frequenz dem Kehrwert der Periodendauer: f = 1/T. Für alle Arten von Wellen gilt die folgende Beziehung zwischen Frequenz, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Wellenlänge:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit mit der sich die Welle durch das Medium bewegt, wird mit c bezeichnet und in [m/s] angegeben. Schall bewegt sich mit etwa 343 m/s (1'234 km/h) durch Luft, bei 20 °C. In Wasser, bei 10 °C, beträgt die Schallgeschwindigkeit 1'440 m/s und ist damit mehr als viermal so gross wie in der Luft. Die Schallgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium hat mit dessen Dichte und der Beweglichkeit der Teilchen zu tun. Die Schallgeschwindigkeit ist also je nach Ausbreitungsmedium sehr unterschiedlich. Als Wellenlänge wird die Länge einer vollen Schwingung bezeichnet. Sie entspricht dem Abstand von zwei aufeinanderfolgenden Wellenbergen und wird in Metern [m] gemessen.
Die maximale Auslenkung der Teilchen von deren mittleren Lage, also die Höhe eines Wellenbergs oder die Tiefe eines Wellentals, wird Amplitude genannt. Die Grösse der Amplitude bestimmt den Energiegehalt und damit verbunden die wahrgenommene Lautstärke eines Signals. Die Frequenz dagegen ist für die Tonhöhe verantwortlich. Je grösser die Frequenz, desto kleiner die Schwingungsdauer und desto höher der Ton.
| Quelle: SuvaPro "Audio Demo 3" Dokumentation |
Anstieg der Amplitude bei konstanter Frequenz. |
| Quelle: SuvaPro "Audio Demo 3" Dokumentation |
Frequenzerhöhung bei konstanter Amplitude. |
Der Dopplereffekt meint nicht etwa das Doppelte, sondern spricht von einer Gegebenheit, die der Österreicher Christian Doppler vor mehr als 150 Jahren entdeckte. Er beschäftigte sich mit der Frage: Wie hört sich ein Ton an, wenn eine Schallquelle von uns wegbewegt wird? Ist dieser Ton höher, tiefer oder gleich?
Wenn sich ein hupendes Auto oder ein Krankenwagen auf uns zu bewegt, dann erhöht sich die Frequenz und damit die Tonhöhe. Wenn es sich entfernt, sinkt die Frequenz. Je schneller sich die Schallquelle relativ zum Beobachter bewegt, desto ausgeprägter ist der Effekt. Dieses Phänomen wird Dopplereffekt genannt.
Schnell vorbeifahrendes, hupendes Auto
Die Hupe hat eine Frequenz von ca. 1000 Hz. Im Beispiel hier steigt die Frequenz an unserem Ohr auf 1115 Hz (Auto bewegt sich auf uns zu) und sinkt danach auf 951 Hz (Auto entfernt sich).
Die Schallausbreitung erfolgt kugelsymmetrisch zum ruhenden Zentrum und ergibt für einen ruhenden Beobachter überall die gleiche Tonhöhe.
Die Schallausbreitung erfolgt kugelsymmetrisch, wegen der Bewegung des Zentrums ergeben sich aber richtungabhängige Unterschiede in der Tonhöhe.
Ein Jet der US-Luftwaffe durchbricht die Schallmauer
Günstige Bedingungen machen die «Schallmauer» resp. die enormen Druckunterschiede sichtbar.
Ein Geschoss bei Überschallgeschwindigkeit.
Die deutlich sichtbare Stosswelle wird Mach'scher Kegel genannt.
Quellen:
Animationen/Bilder Doppler-Effekt: http://www.gmi.edu/~drussel
Hörbeispiel: SuvaPro Audio Demo 3
Stellen Sie sich vor, dass die wahrgenommene Frequenz der Anzahl Schallwellen entspricht, die pro Sekunde an Ihr Ohr gelangen. Die Hupe im Beispiel hat eine Frequenz von ungefähr 1000 Hz, sendet also pro Sekunde 1000 Schallwellen aus. Diese sausen nun mit einer Geschwindigkeit von 340 m/s durch die Luft und erreichen nach kurzer Zeit Ihr Ohr. Wenn sich die Hupe auf Sie zu bewegt, erreichen Sie mehr Schallwellen pro Sekunde, die Frequenz steigt in diesem Beispiel auf 1115 Hz. Umgekehrt sinkt die Frequenz auf 951 Hz, wenn sich die Hupe von Ihnen entfernt.
Für die Berechnung der Frequenz kommt es darauf an, ob sich der Sender oder der Empfänger bewegt. Dies widerspricht vermutlich Ihren Vorstellungen über die Relativität. Wenn Sie sich mit Schallgeschwindigkeit von einer Schallquelle entfernen, hören Sie von der Schallquelle gar nichts mehr. Wenn sich die Schallquelle jedoch mit Schallgeschwindigkeit von Ihnen weg bewegt, hören Sie den Ton nach wie vor, allerdings nur noch mit halber Frequenz.