Schall

Die Stimmgabel erzeugt einen bestimmten Ton

Schall ist die Bezeichnung für Druckänderungen in der Luft oder einem anderen Medium, welche mit dem Ohr gehört werden können. Eine kurz dauernde Druckänderung heißt Knall. Dagegen wird eine Folge von periodischen Änderungen des Drucks als Ton oder Geräusch bezeichnet, dies hängt davon ab, ob sich der Schalldruck regelmäßig - z.B. harmonisch - ändert oder unregelmäßig ist. Störender Schall wird als Lärm bezeichnet. Töne werden von schwingenden elastischen Körpern, Stäben, gespannten Saiten, Pfeifen oder Glocken erzeugt. Je höher die Frequenz, d.h. je größer die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ist, desto höher wird der Ton wahrgenommen. Die Schwingungen erzeugen im umgebenden Medium - z.B. Luft oder Wasser - Schallwellen, die sich wie Wasserwellen fortpflanzen bis sie unser Ohr erreichen. Bei Telefon-Verbindungen wird die Übertragung des Schalls - vereinfacht ausgedrückt - mit Hilfe des elektrischen Stromes vom Mikrofon zum Hörer vorgenommen. Die Schallgeschwindigkeit beträgt in trockener Luft 330 m/s. Der Schalldruck wird in dB (Abkürzung für Dezibel) gemessen. Die Frequenz wird in Hz (Zahl der Schwingungen pro Sekunde, Abkürzung für Hertz) angegeben.

Die Lehre vom Schall heißt Akustik. Der Zusammenhang von Schallgeschwindigkeit (c), Wellenlänge (λ) und Frequenz (f) wird durch die Formel λ = c/f hergestellt.

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1 Messung von Schall

Der Schall wird von einem Mikrofon aufgenommen und mit Hilfe des elektrischen Stroms werden die Signale zu einem Messgerät weitergeleitet. Die Anzeige des Schalldrucks erfolgt in einer Skala, meist nach Dezibel. Früher wurde auch die Einheit Phon verwendet. In der Bundesrepublik Deutschland sind Messungen beim Fluglärm, nach der TA Lärm und im Arbeitsschutz gesetzlich vorgeschrieben. Dabei wird auch die Zusammensetzung der Frequenzen analysiert.

2 Schallerzeugung

Man nehme einen Schallerzeuger, meist als Lautsprecher bezeichnet, dessen Membran einen Hub - oder eine Schallauslenkung - von jeweils ζ = 2mm = 0,002 m beide Richtungen hat und diesen Weg in t = 2 ms = 0,002 s zurücklegt, dann hätte man ungefähr eine Geschwindigkeit von v = 1 m/s. Dies entspricht einer Amplitude von 4mm und einer Frequenz von 250 Hz, sofern es sich um eine Sinusschwingung handelt. Um den Ton hören zu können, muss sich die Membran aber mehrmals in dieser Weise bewegen. Die Hörbarkeit ist von der Lautstärke - der subjektiven Wahrnehmung des Schalldrucks - abhängig, die wiederum von der Leistung des Lautsprechers abhängig ist. Beim Menschen liegen die hörbaren Frequenz des Schalls zwischen 16 Hz und 20.000 Hz.^[1] Die Hörschwelle des Menschen liegt in der Frequenz 250 Hz unter 10 dB.

In folgendem Beispiel wird eine Sinus-Schwingung von f = 100 Hz verwendet, wobei der Hub der Membran ζ = 0,01 m betragen soll. Die Hörschwelle des Menschen liegt in dieser Frequenz bei 20 dB. Es ist damit mehr Energie nötig als bei 250 Hz. Die dB-Werte sind logarithmisch zu interpretieren, so dass eine Verdopplung der Leistung eines Lautsprechers nur eine Erhöhung um 3 dB bedeutet. Für eine Steigerung um 10 dB ist also etwa die achtfache Leistung nötig. Daher werden für tiefe Frequenzen größere Lautsprecher benötigt, weil die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres bei hohen Frequenzen insbesondere um 1000 Hz höher ist. Umgekehrt sinkt die Lautstärke bei Verdopplung der Entfernung vor einem gut ausgerichteten Lautsprecher um 3 dB. Bei einer punktförmigen Schallquelle sinkt er jedoch um 6 dB, weil sich der Schall nach allen Richtungen ausbreitet.