Schalldruckwellen

Schallgrößen
Schalldruck p Schalldruckpegel Lp Schallschnelle v Schallauslenkung ξ Schallbeschleunigung a Schallintensität I Schallleistung Pak Schallenergiedichte E Schallenergie Schallfluss q Schallimpedanz Z Schallgeschwindigkeit c

Schall (von althochdeutsch scal) bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, den Knall (Schallarten), wie er von Menschen und 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 Welle. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also auch im wichtigsten Medium, in der Luft. In Festkörpern gibt es auch Transversalwellen. Sie bewegen Mediumteilchen (meistens Luft) um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit c aus. Dabei transportieren sie Schallenergie. Im Vakuum ist Schall nicht ausbreitungsfähig.

Die Schallgeschwindigkeit hängt u. a. vom Ausbreitungsmedium ab. In Luft beträgt sie 343 m/s bei einer Temperatur von 20° C und 1407 m/s in Wasser bei einer Temperatur von 0° C; siehe: Schallwellen (Ozean). Die Schallwellenlänge λ kann mit der Frequenz f und der Schallgeschwindigkeit c über folgende Beziehung berechnet werden:

$\lambda = \frac{c}{f}$

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.

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:

• Schalldruck p in N/m² = Pa (Pascal)
• Schallschnelle v in m/s

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 die Schalldruckamplitude 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 von den Fluidelementen (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 klar werden, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei der Auslenkung der Fluidelemente klein im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit sind: Bei einem Schalldruckpegel von 130 dB, der Schmerzschwelle, beträgt die Schnelleamplitude in Luft gerade einmal 0,153 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen von 0 dB hat die Schnelleamplitude einen Wert von 5 · 10^-8 m/s. 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 zu niederfrequent
• Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz, ist für Menschen hörbarer Schall
• Ultraschall von 20 kHz bis 1 GHz ist für Menschen nicht hörbar, da zu hochfrequent
• Hyperschall > 1 GHz sind nur noch bedingt ausbreitungsfähige Wellen

Siehe auch

• Dopplereffekt
• Rauschen (Physik)
• Schallausbreitung
• Schallwellen (Ozean)
• Wasserschall

Literatur

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

Weblinks

• Schall und Akustik für Schüler
• Berechnung von Wellenlänge des Schalls, Frequenz und Schallgeschwindigkeit
• Berechnung der Wellenlänge einer Schallwelle in Luft bei gegebener Frequenz und Temperatur
• Grundlagen zum Schall und die schalltechnischen Begriffe
• Ausgewählte Grundlagen der Technischen Akustik und Strömungsakustik