Schall: Entstehung, Ausbreitung und Messung

Schall ist eine mechanische Welle, die sich durch ein Medium wie Luft, Wasser oder feste Stoffe ausbreitet.
Schall entsteht durch Schwingungen von Teilchen, z. B. wenn eine Gitarrensaite gezupft oder ein Lautsprecher angetrieben wird.
Die Teilchen des Mediums übertragen die Schwingung auf benachbarte Teilchen weiter, sodass eine Wellenbewegung entsteht.
Unser Ohr nimmt diese mechanischen Wellen als Geräusche, Töne oder Klänge wahr.
Schall benötigt stets ein Trägermedium und kann sich im Vakuum nicht ausbreiten.
Schallleitung
⚙ einfuhrung

Schall entsteht, wenn ein Körper (z. B. eine Stimmgabel, Lautsprecher oder unsere Stimmbänder) in Schwingung versetzt wird.
Diese Schwingungen übertragen sich auf die umgebenden Luftteilchen, indem sie sie hin und her bewegen.
Dadurch entsteht eine fortlaufende Abfolge von Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die sich wellenförmig ausbreiten.
Weitere Beispiele:
- Bei einer Trommel bringt der Schlag das Trommelfell zum Schwingen.
- Beim Sprechen oder Singen schwingen unsere Stimmbänder.
- Ein Motor erzeugt Schallschwingungen durch mechanische Bewegungen der Teile.
⚙ entstehung

Die Schallausbreitung erfolgt in Form von Longitudinalwellen. Das bedeutet, die Schwingungsrichtung der Teilchen verläuft in Ausbreitungsrichtung der Welle.
Wichtige Eigenschaften der Schallausbreitung:
- Schall benötigt ein Medium (Luft, Wasser, Festkörper).
- Im Vakuum kann kein Schall übertragen werden.
- Schall breitet sich in festen Stoffen oft schneller aus als in Gasen, weil die Teilchen enger zusammenliegen.
Beispiel: Du hörst einen herannahenden Zug über die Schienen schneller, wenn du das Ohr auf die Gleise legst, als durch die Luft.
⚙ ausbreitung

Schall kann mit verschiedenen Größen gemessen werden:
- Schallpegel: Gibt die Lautstärke des Schalls an, meist in Dezibel (dB), und wird mit einem Schallpegelmessgerät ermittelt.
- Frequenz: Misst die Tonhöhe eines Schalls und gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde auftreten (in Hertz, Hz).
- Amplitude: Misst die maximale Auslenkung einer Schwingung und wird mit der Lautstärke assoziiert.
Ein typischer Messablauf:
1. Platzierung eines Mikrofons in der Nähe der Schallquelle
2. Umwandlung des Schalls in ein elektrisches Signal
3. Auswertung per Messgerät oder Computer
⚙ messen

Frequenz (Einheit: Hertz, Hz) beschreibt die Anzahl der Schwingungen einer Schallwelle pro Sekunde.
Hohe Frequenzen klingen für uns als hohe Töne (z.B. Flöte), niedrige als tiefe Töne (z.B. Bass).
Das menschliche Hörvermögen reicht etwa von 20 Hz bis 20.000 Hz. Mit zunehmendem Alter nimmt die wahrnehmbare obere Grenze oftmals ab.
⚙ frequenz

Amplitude bezeichnet die maximale Auslenkung einer schwingenden Größe.
Bei Schallwellen entspricht eine höhere Amplitude einer lauteren Wahrnehmung. In Diagrammen kann man die Amplitude als den Abstand von der Mittellinie zur Wellen-Spitze erkennen.
Beispiel: Ein leises Flüstern hat eine kleine Amplitude, ein lauter Knall eine große.
⚙ amplitude

Die Schallgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich Schall in einem bestimmten Medium ausbreitet.
In trockener Luft bei 20 °C liegt sie bei ca. 343 m/s. In Wasser beträgt sie ca. 1.480 m/s, in festen Stoffen wie Stahl bis zu 5.000 m/s.
Sie hängt also vom Medium und dessen Temperatur ab. Faustregel: Je dichter das Medium, desto schneller breitet sich Schall aus.
Beispiel aus dem Alltag:
Bei einem Gewitter sieht man oft zuerst den Blitz und hört dann den Donner. Das liegt daran, dass Licht sich viel schneller ausbreitet als Schall. Wenn du die Sekunden zwischen Blitz und Donner zählst, kannst du berechnen, wie weit das Gewitter entfernt ist:
- Regel: Pro 3 Sekunden beträgt die Entfernung ungefähr 1 Kilometer, da Schall etwa 343 m/s zurücklegt.
- Beispiel: Zählst du 6 Sekunden zwischen Blitz und Donner, ist das Gewitter etwa 2 Kilometer entfernt.
Durch das Zählen der Sekunden kannst du mithilfe der Schallgeschwindigkeit einfach abschätzen, wie weit das Gewitter entfernt ist.
⚙ schallgeschwindigkeit

Die Lautstärke von Schall wird in der Einheit Dezibel (dB) gemessen.
Es handelt sich um eine logarithmische Maßeinheit, die das Verhältnis zwischen zwei Schallintensitäten beschreibt.
Schon geringe Veränderungen im Dezibelbereich werden vom menschlichen Gehör deutlich wahrgenommen.
Beispielsweise entspricht ein Gespräch in normaler Lautstärke ca. 60 dB, Straßenverkehr etwa 80 dB und ein Presslufthammer bis zu 120 dB.
⚙ dezibel

Schallquellen sind überall im Alltag zu finden. Zu den wichtigsten gehören:
- Musikinstrumente: Gitarre, Klavier, Trompete – die Saiten oder Luftsäulen schwingen und erzeugen charakteristische Töne.
- Stimme: Beim Sprechen oder Singen schwingen die Stimmbänder und erzeugen Sprachlaute oder Gesang.
- Haushaltsgeräte: Mixer, Waschmaschine oder Staubsauger erzeugen Schall durch mechanische Bewegungen.
- Natur: Donner, Vogelgezwitscher oder das Plätschern von Wasser sind natürliche Schallquellen.
- Technik: Sirenen, Motoren oder Maschinen jeder Art.
Diese Vielfalt macht Schall zu einem wichtigen Bestandteil unseres täglichen Lebens.
⚙ beispiele