Schall, was ist das?

Heute wollen wir uns mal dem Thema Schall zuwenden.  Klar, das ist alles, was wir hören können. Aber was genau ist das? Simpel gesprochen ist Schall ein Ereignis, das Luftmoleküle zum Schwingen bringt. Luft verhält sich da ein bisschen wie Wasser, daher ein einfaches Beispiel: Du stehst an einen Teich und die Wasseroberfläche ist ganz ruhig und glatt. Wirf einen Stein in den Teich und beobachte, wie die Wellen sich kreisförmig von der Stelle ausbreiten, wo der Stein ins Wasser fiel. Ganz ähnlich verbreitet sich der Schall von seiner Quelle aus, nämlich wellenförmig. Nur wird er grundsätzlich erst einmal kugelförmig abgestrahlt und nicht nur horizontal, wie die Wellen auf dem Wasser. “Halt!” werden jetzt einige schreien, “das stimmt so nicht!” Ja, ja natürlich ist dieses Bild zu grob, aber dazu kommen wir noch.

Also kugelförmige Ausbreitung von Schwingungen der Luftmoleküle. In Fachbüchern wird jetzt meist von periodischen Luftdruckänderungen gesprochen, stimmt ja auch. Nur, wie hat man sich das vorzustellen? Schauen wir uns mal einen Lautsprecher an: da haben wir eine Membran, die sich, sagen wir durch Musik angeregt, vor und zurück bewegt. Hat bestimmt jeder schon mal gesehen. Und welches Kind konnte schon widerstehen, mal seine Finger vorsichtig auf so eine Membran zu legen und ihr Vibrieren zu spühren, wenn die Musik spielt. Ich jedenfalls nicht.

Egal, zurück zu unserem Beispiel. Wir schalten mal auf Zeitlupe: schiebt sich diese Membran vor, schubst sie quasi die Luftmoleküle vor sich nach vorne. Was nun passiert, ist wie beim Winterschlussverkauf vor dem Kaufhaus: Tausende stehen vor der Tür und einer schiebt hinten. Vorne wird´s eng. So geht´s nun auch den Luftmolekülen. Hinten schubst einer (die Lautsprechermembran) und vorne gibt´s Gedränge. Da, wo die Luftmoleküle sich drängeln, haben wir erhöhten Luftdruck. Und so, wie bei der sich öffnenden Kaufhaustür die Massen in den Laden platzen, so drängen jetzt die Luftmoleküle vom Lautsprecher weg. Die Schallwelle bewegt sich.

Und nun bewegt sich die Membran zurück. Es entsteht viel Platz da, wo eben noch Gedränge herrschte. Jetzt sind da weniger Luftmoleküle und damit sinkt der Luftdruck. Ganz einfach, nicht? Das Ganze passiert natürlich sehr schnell. So haben Schallwellen also was mit periodischer Luftdruckänderung zu tun.

Unser menschliches Ohr hat ja auch eine Membran, das Trommelfell, das nun durch die heran rasenden Schallwellen ebenfalls in Schwingungen versetzt wird. Die Bewegungen des Trommelfells werden in Nervenimpulse umgesetzt und zum Gehirn gefeuert. Zack, wir können was hören.

So weit zum Grundprinzip. Werden wir nun etwas technischer. Ich erwähnte es oben, Schallwellen sind schneller, als die Wellen auf dem Wasser des Teiches. Viel schneller im Normalfall (ein Zunami kann auch sauschnell sein)! In der Luft nämlich rund 331,5 Meter / Sek., bei 0 C° Lufttemperatur. Die Schallgeschwindigkeit ist von mehreren Dingen abhängig:

1. dem Medium: Luft, oder andere Gase, Wasser,  feste Körper, etc. In jedem Medium ändert sich die Schallgeschwindigkeit.
2. die Temperatur des Mediums. Daher die Angabe “bei 0 C°” oben.
3. in dispersiven Medien, wie z.B. Gummi: auch von der Frequenz. (Wikipedia)

In nichtdispersiven Medien wie der Luft ist somit die Schallgeschwindigkeit nur von der Temperatur abhängig und über ein weiten Frequezbereich stabil. Bei z.B. +20 C° beträgt sie schon 343,4 m/s und bei +35 C° gar 352,1 m/s. Also: je wärmer desto schneller.

Hier eine kleine interessante Liste mit Geschwindigkeiten in verschiednen Materialien bei +20C°. Die Angaben sind Näherungswerte.

•  Luft:         343 m/s
• Wasser:   1500 m/s
• Beton:     3100 m/s
• Stahl:       5800 m/s

Noch ein Wort zur Schallgeschwindigkeit in der Luft: manchmal liest man was von einer Abhängigkeit vom Luftdruck. Das ist FALSCH! Nur die Temperatur (und in geringem Maß die Feuchtigkeit) sind für die Schallgeschwindigkeit entscheidend. Wer ganz genau wissen will, warum das so ist schaue mal hier nach. Da gibt´s auch alle wichtigen Formeln, die ich mir hier spare.

Zum Schluß gibt es noch ein paar Begriffe zu klären:

Das gesunde menschliche Gehör kann Schall mit Frequenzen von 16 Hz bis 20 kHz hören (wenn man mal das Alter außer Acht lässt). Alles darunter nennt man Infraschall. Alles darüber: Ultraschall. Gelegentlich liest man auch was von Hyperschall. Das ist dann alles über 10 GHz.

So, das war´s mal wieder für heute. Die Daten zur Schallgeschwindigkeit stammen von hier und von Wikipedia. Es lohnt sich auch da mal nachzulesen, wenn´s genauer sein soll. Und wie immer: über Kommentare, Anregungen und Hinweise würde ich mich freuen. Alle Texte in diesem Blog sind nur für private Zwecke gedacht. Keine Veröffentlichungen ohne meine Genehmigung. Danke.