Schall und seine Eigenschaften

Mit unseren Ohren nehmen wir verschiedene Geräusche, Sprache und Musik, aber auch unangenehmen Lärm wahr. Vereinfacht kann man sagen: Alles, was man mit den Ohren wahrnehmen kann, ist Schall. Der Mensch hört Schall aber nur dann, wenn dessen Frequenz zwischen 16 Hz und 20.000 Hz beträgt und die Lautstärke des Schalls über der Hörschwelle und unter der Schmerzschwelle liegt. Schall kann aber auch kleinere Frequenzen als 16 Hz haben. Dann spricht man vom Infraschall. Schall mit Frequenzen über 20 000 Hz wird als Ultraschall bezeichnet. Genauere Informationen dazu findet man unter diesen Stichwörtern.

Schall geht von Schallquellen aus. Solche Schallquellen können z.B. Musikinstrumente, die menschliche Stimme, Automotoren oder Lautsprecher sein.

Schall ist eine mechanische Welle

Schall wird durch mechanische Schwingungen von Körpern hervorgerufen. Schwingen können z.B. eine Stimmgabel, die Saiten einer Gitarre, die Luftsäule in einer Orgelpfeife, die Stimmbänder beim Menschen oder die Membran eines Tamburins.

So wird beispielsweise beim Schlag auf ein Tamburin die Membran verformt und die umgebende Luft dadurch zusammengedrückt. Die Luft verdichtet sich an dieser Stelle; der Druck wird größer. Da Luft elastisch ist, dehnt sie sich dann wieder aus, was zu einer Verdichtung an einer benachbarten Stelle führt. Es entsteht eine Druckwelle, die sich im Raum ausbreitet. Das kann man auch mit dem Teilchenmodell deuten: Die Luftteilchen werden durch das Anschlagen der Membran zu Schwingungen angeregt. Sie schwingen somit hin und her. Dabei bilden sich Bereiche mit größerer Teilchenanzahl (größerem Druck) und Bereiche mit kleinerer Teilchenanzahl (kleinerem Druck).

Allgemein gilt:
Schallwellen sind die Ausbreitung von Druckschwankungen im Raum.

Da die Ausbreitungsrichtung und die Schwingungsrichtung der Teilchen übereinstimmen, handelt es sich bei Schallwellen um Longitudinalwellen (Längswellen).

Das menschliche Ohr ist in der Lage, Druckschwankungen von etwa 0,000 02 Pa (Hörschwelle) bis etwa 20 Pa (Schmerzschwelle) wahrzunehmen.

Arten von Schall

Bei Schall unterscheidet man zwischen Ton, Klang, Geräusch und Knall. Die Unterschiede zwischen diesen Schallarten können in y-t-Diagrammen sichtbar gemacht werden. In der folgenden Übersicht sind diese Unterschiede dargestellt.

Ausbreitung von Schall

Schall breitet sich in einem Stoff konstanter Temperatur geradlinig aus. Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall ausbreitet, wird als Schallgeschwindigkeit bezeichnet. Sie hängt von dem betreffenden Stoff sowie von der Frequenz und der Wellenlänge ab.

Für Schallwellen gilt wie für andere mechanische Wellen:

$\begin{array}{l}v=\lambda \cdot f\\ \lambda \text{ Wellenlänge}\\ f\text{ Frequenz}\end{array}$

Schall kann sich in festen Stoffen, Flüssigkeiten und Gasen ausbreiten. Die Schallgeschwindigkeit und damit auch die Wellenlänge und die Frequenz können sehr unterschiedlich sein. Im Allgemeinen ist die Schallgeschwindigkeit in Gasen am kleinsten und in festen Körpern am größten. Das hängt mit den unterschiedlichen Kräften zusammen, die zwischen den Teilchen der Stoffe wirken. Bei Gasen ist die kräftemäßige Kopplung zwischen den Teilchen gering, bei festen Körpern groß. Deshalb breitet sich eine Druckschwankung in festen Körpern schneller aus als in Gasen.

Die Schallgeschwindigkeit in einem Stoff ist relativ stark von der Temperatur abhängig. Deshalb ist es erforderlich anzugeben, für welche Temperatur eine Schallgeschwindigkeit gilt. Häufig werden Schallgeschwindigkeiten bei 20 °C angegeben.

Weitere Eigenschaften von Schall

Da Schall eine mechanische Welle ist, treten bei Schall auch alle Eigenschaften auf, die mechanische Wellen haben. Schall wird

• reflektiert,
• gebrochen oder
• absorbiert.

Schallwellen werden

• gebeugt und
• interferieren.

Trifft Schall auf eine Fläche, so wird er reflektiert. Die Reflexion ist umso stärker, je glatter die Oberfläche ist. Für die Reflexion von Schall gilt das Reflexionsgesetz - Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß:

$\alpha =\alpha ´$

Tritt Schall von einem Stoff in einen anderen über, z.B. von Luft in Wasser, so ändert sich im Allgemeinen seine Ausbreitungsrichtung.

Für die Brechung von Schallwellen gilt das Brechungsgesetz:

$\begin{array}{l}\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }=\frac{v_1}{v_2}\\ \alpha \text{ Einfallswinkel}\\ \beta \text{ Brechungswinkel}\\ v_1,v_2\text{ Schallgeschwindigkeiten in den Stoffen 1 und 2}\end{array}$

Trifft Schall auf raue und poröse Oberflächen, z.B. auf Schaumstoff, so wird ein geringer Teil des Schalls reflektiert, der größte Teil jedoch absorbiert (aufgenommen). Die Absorption von Schall durch raue, poröse Oberflächen wird zur Schalldämmung und zur Schalldämpfung genutzt.

Daneben treten bei Schall auch die wellentypischen Erscheinungen Beugung und Interferenz auf. Infolge der Beugung breitet sich Schall z.B. um Kanten herum aus. Im Alltag kann man das ständig feststellen: Auch wenn man hinter einer Hausecke steht, hört man Schall aus den Bereichen, die man nicht einsehen kann.

Sind zwei Schallquellen, z.B. zwei Lautsprecher, vorhanden, so können sich die von ihnen ausgehenden Schallwellen überlagern (interferieren). Dabei können Bereiche der Verstärkung (größere Lautstärke) und der Abschwächung (kleinere Lautstärke) auftreten.