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 (Bild 1), 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 (Bild 2) 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.

Triff 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, porösen Oberflächen wird zur Schalldämmung und zur Schalldämpfung genutzt.

Daneben treten bei Schall auch die wellentypischen Erscheinungen Beugung und Interferenz auf. Infolge Beugung breitet sich Schall z. B. um Kanten herum aus (Bild 4). 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.

Der Mensch nimmt Schall in einem Frequenzbereich von 16 Hz bis
20.000 Hz mit seinen Ohren wahr. Schallquellen sind alle die Körper, die in diesem Frequenzbereich hinreichend stark schwingen und damit Schall aussenden, der sich dann im Raum ausbreitet. Nachfolgend betrachten wir ausgewählte Beispiele von Schallquellen.

Menschliche und tierische Stimmen

Beim Menschen erfolgt die Erzeugung von Schall mithilfe der Stimmbänder. Das sind zwei elastische Bänder, die sich im Kehlkopf am oberen Ende der Luftröhre befinden (Bild 2). Zwischen diesen beiden Bändern existiert eine Öffnung, die Stimmritze.
Wird von der Lunge her Luft durch die Stimmritze gepresst, so geraten die Stimmbänder in Schwingungen. Es entstehen Töne, Klänge oder Geräusche. Werden die Stimmbänder straffer gespannt, so schwingen sie schneller. Die Töne werden höher. Wird mehr Luft durch die Stimmritze gepresst, so schwingen die Stimmbänder heftiger. Die entstehenden Töne sind lauter.
Die menschliche Stimme übertrifft in der Vielfalt der Töne, Klänge und Geräusche jedes Musikinstrument. Die individuellen Unterschiede kommen durch den unterschiedlichen Bau der Stimmbänder und der Resonanzräume zustande.

Bei Tieren erfolgt die Schallerzeugung sehr unterschiedlich, wobei jede Tierart charakteristische Laute von sich gibt.
Bei vielen Säugetieren, z. B. Hunden, Katzen, Kühen oder Bären, wird Luft aus den Lungen gepresst und erzeugt im Rachenraum Schwingungen, die wir als Tierlaute wahrnehmen.
Die Lungen der Vögel sind mit kleinen Luftsäcken verbunden, in die Luft gepresst werden kann. Die Luft strömt über eine gespannte Membran aus und bringt diese zum Schwingen. Je nachdem, wie stark diese Membran gespannt ist, entstehen tiefe oder hohe Töne.
Grashüpfer erzeugen Geräusche dadurch, dass sie mit den Hinterbeinen über zahlreiche kleine Erhöhungen an den Vorderflügeln streichen.

Musikinstrumente

Mithilfe von Musikinstrumenten lässt sich in unterschiedlicher Art und Weise Schall erzeugen:

• Bei Zupf- und Streichinstrumenten wie Gitarre, Klavier oder Violine werden durch Zupfen, Anschlagen oder Streichen Saiten in Schwingungen versetzt.
• Bei Blasinstrumenten wie Trompete, Saxofon, Flöte oder Orgel schwingen Luftsäulen.
• Bei Schlaginstrumenten wie Pauken oder Trommeln werden Membranen in Schwingungen versetzt.

Nähere Erläuterungen zu einzelnen Instrumenten sind in dem Artikel „Schall und Musik“ gegeben.

Schwingende Teile von Fahrzeugen, Geräten und Anlagen

Schwingen Teile von Fahrzeugen hinreichend schnell hin und her, so erzeugen sie Schall. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren führt die periodische explosionsartige Verbrennung bei Drehzahlen von 1 000 je Minute bis 5 000 je Minute zu Schall, teilweise auch zu Lärm. Hinzu kommen insbesondere bei älteren Fahrzeugen mitschwingende Fahrzeugteile, die ebenfalls wie Schallquellen wirken. Schnelle Schwingungen von Fahrzeugteilen treten auch auf, wenn diese über unebene Straßen oder Wege fahren.
Bei solchen Geräten und Anlagen wie Staubsauger, Presslufthämmer, Bohrer, Lüfter oder Waschmaschinen treten ebenfalls Schwingungen auf, die zu Schall führen.

Hupen, Klingeln, Glocken und Pfeifen

Hupen, Klingeln, Glocken und Pfeifen sind Schallquellen, mit denen Aufmerksamkeit hervorgerufen werden soll. Die Art der Schallerzeugung ist unterschiedlich.
Bei Hupen wird eine Membran durch einen Elektromagneten in intensive Schwingungen versetzt. Genutzt wird das Prinzip, das man auch beim Lautsprecher verwendet.
Bei Klingeln, die elektromagnetisch und mechanisch betätigt werden können, wird eine kleine Glocke angeschlagen und gerät dadurch in Schwingungen.

Kirchenglocken oder die Glocken eines Glockenspiels (Bild 6) werden ebenfalls durch Klöppel angeschlagen und dadurch zu Schwingungen angeregt. Der Klang einer Glocke hängt u. a. von der Größe der Glocke, ihrer Form und der Wandstärke ab.

Bei Pfeifen werden durch Schneiden oder durch eine periodische Unterbrechung der Luftzufuhr Luftsäulen zu Schwingungen angeregt.
Genauere Informationen zu weiteren Schallquellen und ihren Eigenschaften findet man auf der CD in den Beitragen „Schwingende Saiten und Luftsäulen“ und „Schall und Musik“