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Schall - Wikipedia

08/01/2014 01:49
Schallgrößen

Schall (von Althochdeutsch: scal) bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, den Knall (Schallarten), wie er von Menschen mit dem Gehör, also dem Ohr-Gehirn-System, aber auch von Tieren auditiv wahrgenommen werden kann. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Man unterscheidet den Nutzschall, wie Musik oder die Stimme beim Gespräch, und den Störschall, wie Baustellen- oder Verkehrslärm.

Physikalische Definition

Physikalisch gesehen ist Schall eine als Welle fortschreitende mechanische Deformation in einem Medium. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also näherungsweise auch in Luft. Die allgemeine Wellengleichung für dreidimensionale Schallfelder in fluiden Medien[1] lautet:

\Delta p = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 p}{\partial t^2}

Schall breitet sich mit einer für das Medium und dessen Zustand (Temperatur, Druck, usw.) charakteristischen und konstanten Schallgeschwindigkeit c aus. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt diese in Luft 343 m/s und in Wasser 1484 m/s, siehe auch Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Die Wellenlänge \lambda der Schallwelle kann bei gegebener Frequenz f und Schallgeschwindigkeit c über folgende Beziehung berechnet werden:

\lambda = \frac{c}{f}

In Gasen wie Luft kann Schall als eine dem statischen Luftdruck überlagerte Schalldruckwelle beschrieben werden. Meistens sind bei Schallwellen die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen. Das wird anschaulich, wenn man Schalldruckpegel von 130 dB (Dezibel), das ist etwa die Schmerzschwelle des Menschen, mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal (= 1013,25 Hektopascal), während ein Schalldruckpegel von 130 dB einem Effektivwert des Schalldrucks p von gerade einmal 63 Pascal entspricht.

Dagegen gibt es in Festkörpern auch Transversalwellen und geführte Wellen. Im Vakuum gibt es keinen Schall, da er im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen immer ein Trägermedium braucht.

Akustik

Die zugehörige Wissenschaft ist die Akustik, die wiederum ein Untergebiet der Gasdynamik ist. Die beiden Energieformen, die sich beim Schall ineinander umwandeln, sind die Kompressionsenergie und die Bewegungsenergie als Schallenergiegröße, charakterisiert werden sie aber durch die Schallfeldgrößen:

Wellen sind zeitlich und örtlich periodische Veränderungen einer physikalischen Größe g(t, x). Der Schalldruck p ist die wichtigste Schallfeldgröße als Skalar überhaupt; siehe auch Druckwelle. Dieses hat verschiedene Gründe: Der Schalldruck ist eine anschauliche Größe, mit Mikrofonen relativ leicht messbar und auch vom Menschen physiologisch erfassbar. Der Schallwechseldruck p ist einfach zu messen. Bei einem Schalldruckpegel von 0 dB, also bei der Hörschwelle, hat der Schalldruck als Effektivwert einen Wert von 2 · 10−5 N/m2 (Pascal). Dagegen ist die Schallfeldgröße Schallschnelle v ein Vektor, wobei bei Einwirkung von Schall die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung der Fluidelemente (Luftteilchen) gemeint ist. Der Begriff Geschwindigkeit wird hier zur deutlichen Abgrenzung zur Schallgeschwindigkeit c allerdings vermieden. Die Schnelle ist nicht so leicht bestimmbar. Man muss sich hierbei darüber im Klaren sein, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei der Auslenkung der Fluidelemente im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit klein sind: Bei einem Schalldruckpegel von 130 dB, der Schmerzschwelle, beträgt die Schallschnelle in Luft gerade einmal 0,153 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen hat der Effektivwert der Schallschnelle einen Wert von 5 · 10−8 m/s entsprechend einem Schallschnellepegel von 0 dB. Hierbei werden die Luftpartikel nur ganz gering ausgelenkt.

Einteilung nach Frequenz

Entsprechend dem Frequenzbereich unterscheidet man:

  • Infraschall < 16 Hz ist für Menschen nicht hörbar, da die Frequenz zu niedrig ist
  • Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz, ist für Menschen hörbarer Schall
  • Ultraschall von 20 kHz bis 1,6 GHz ist für Menschen nicht hörbar, da zu hochfrequent
  • Hyperschall > 1 GHz wird durch Schallwellen gebildet, die nur noch bedingt ausbreitungsfähig sind

Einteilung nach Schallarten

Die erste Wellenform zeigt einen Gewehrschuss, die zweite eine Sinusschwingung mit sinkender Periodendauer und die dritte Wellenform zeigt das gesprochene Wort Wikipedia.

Folgende schematischen Oszilloskopbilder verdeutlichen die unterschiedlichen Schallarten:

  • Geräusch: unregelmäßig (z. B. Motor, Sprache)

  • Klang: periodisch (z. B. Geigenklang)

  • Ton: periodisch, sinusförmig (z. B. Stimmgabel)

  • Knall: anfangs großer Ausschlag (z. B. Gewehrschuss)

Siehe auch

Literatur

  • Hans Breuer: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. dtv-Verlag, München 1996, ISBN 3-423-03226-X.
  • Heinrich Kuttruff: Akustik: Eine Einführung S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8.

Einzelnachweise

  1. Hochspringen ↑ Heinrich Kuttruff: Akustik: Eine Einführung S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8, S. 40.
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