Einleitung
Schall begegnet uns täglich – beim Sprechen, bei Musik, im Straßenverkehr oder beim Betrieb von Maschinen, Ventilatoren und Klimaanlagen. Physikalisch betrachtet ist Schall jedoch mehr als nur eine Hörempfindung. Es handelt sich um eine mechanische Welle, die durch Schwingungen entsteht und sich in einem Medium ausbreitet.
Für die Entstehung von Schall ist eine schwingende Quelle erforderlich. Für seine Ausbreitung wird ein Medium wie Luft, eine Flüssigkeit oder ein Festkörper benötigt. Gelangen die dadurch erzeugten Schwingungen zum menschlichen Ohr oder zu einem akustischen Messgerät, können sie wahrgenommen beziehungsweise gemessen werden.
Das Verständnis dieser Grundlagen ist entscheidend für die weitere Beschäftigung mit Schalldruck, Schalldruckpegel, Frequenz, Dezibel und Geräuschmessung.
Das Wichtigste im Überblick
● Schall entsteht in der Regel durch mechanische Schwingungen.
● Schall ist eine mechanische Welle und benötigt ein Medium zur Ausbreitung.
● In Luft breitet sich Schall überwiegend als longitudinale Druckwelle aus.
● Schall kann sich in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten, jedoch nicht im Vakuum.
● Die Frequenz beeinflusst vor allem die Tonhöhe, während Schwingungsamplitude und Schalldruck mit der Schallstärke zusammenhängen.
● Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Ausbreitungsmedium und dessen physikalischem Zustand ab.
● Ein Schallpegelmesser erfasst die durch Schall verursachten Druckschwankungen in der Luft und wandelt sie in elektrische Messsignale um.
Was ist Schall?
Aus physikalischer Sicht ist Schall eine mechanische Welle, die durch Schwingungen entsteht und sich in einem elastischen Medium ausbreitet.
Bewegt sich beispielsweise die Membran eines Lautsprechers vor und zurück, versetzt sie die umgebenden Luftteilchen in Bewegung. Dadurch entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen, die sich als Schallwelle nach außen ausbreiten.
Treffen diese Druckschwankungen auf das menschliche Ohr, wird das Trommelfell in Schwingung versetzt. Das Hörsystem wandelt diese Bewegung anschließend in Nervensignale um, aus denen die Wahrnehmung von Schall entsteht.
Der grundlegende Ablauf lässt sich daher so zusammenfassen:
Schwingende Schallquelle → Ausbreitung einer Störung im Medium → Wahrnehmung oder Messung durch einen Empfänger
Ein solcher Empfänger kann das menschliche Ohr, ein Mikrofon, ein Schallpegelmesser oder ein anderes akustisches Messgerät sein.
Wie entsteht Schall?
Die grundlegende Voraussetzung für die Entstehung von Schall ist eine Schwingung.
Schwingt ein Objekt mechanisch mit einer bestimmten Frequenz, werden die Teilchen des umgebenden Mediums ebenfalls in Bewegung versetzt.
Beispiele:
● Beim Sprechen schwingen die Stimmbänder.
● Bei einem Lautsprecher bewegt sich die Membran vor und zurück.
● Bei Motoren können Rotor, Lager, Welle oder Gehäuse Schwingungen erzeugen.
● Eine angeschlagene Metallplatte gerät in Schwingung.
● Eine gezupfte Gitarrensaite führt periodische Schwingungen aus.
Damit Schall über eine größere Entfernung übertragen werden kann, müssen diese Schwingungen auf ein Medium wie Luft, Wasser oder eine feste Struktur übertragen werden.
Bewegt sich beispielsweise eine Lautsprechermembran nach vorne, verdichtet sie die Luft. Bei der Rückbewegung sinkt der lokale Luftdruck. Die fortlaufende Bewegung erzeugt dadurch Druckschwankungen, die sich als Schallwelle ausbreiten.
Wie breitet sich Schall aus?
Bei der Schallausbreitung bewegen sich Luftmoleküle nicht von der Schallquelle bis zum Hörer. Stattdessen werden Schwingung und Energie schrittweise durch das Medium übertragen.
In Luft werden zunächst die Teilchen unmittelbar an der Schallquelle in kleine Schwingungen versetzt. Diese beeinflussen benachbarte Teilchen, sodass sich die Druckänderung zunehmend weiter von der Quelle entfernt.
Die Luftteilchen selbst bewegen sich dabei nur geringfügig um ihre jeweilige Ruhelage, während sich die Schallwelle durch das Medium fortpflanzt.
Der Vorgang lässt sich folgendermaßen beschreiben:
● Die Schallquelle versetzt benachbarte Teilchen in Schwingung.
● Diese übertragen die Störung auf weitere Teilchen.
● Druckänderungen und Schallenergie breiten sich aus.
● Die Schallwelle erreicht schließlich das Ohr oder ein Mikrofon.
Warum ist Schall in Luft eine Longitudinalwelle?
Bei der Schallausbreitung in Luft schwingen die Luftteilchen im Wesentlichen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Deshalb wird Luftschall als Longitudinalwelle bezeichnet.
Bewegt sich eine Schallquelle nach vorne, entsteht eine Verdichtung der Luft. Bei der Rückbewegung entsteht eine Zone mit geringerem Druck.
Diese Bereiche von Verdichtung und Verdünnung wechseln sich ab und breiten sich durch die Luft aus.
Dadurch entstehen fortlaufende Änderungen des Luftdrucks.
Diese kleinen Druckänderungen werden in der Akustik als Schalldruck bezeichnet.
Mikrofone und Schallpegelmesser erfassen genau diese Druckschwankungen.
Warum benötigt Schall ein Medium?
Da Schall eine mechanische Welle ist, beruht seine Ausbreitung auf Wechselwirkungen zwischen Teilchen eines Mediums.
Typische Ausbreitungsmedien sind:
● Gase: Luft ist das wichtigste Medium für den alltäglichen Luftschall.
● Flüssigkeiten: Schall kann sich beispielsweise in Wasser ausbreiten.
● Festkörper: Metalle, Beton, Holz und Gebäudestrukturen können mechanische Schwingungen übertragen.
Dichte, Elastizität und innere Struktur des Mediums beeinflussen Schallgeschwindigkeit, Dämpfung und Ausbreitungsverhalten.
In Festkörpern können neben Longitudinalwellen je nach Material und Struktur auch Transversalwellen und weitere Schwingungsformen auftreten.
Kann sich Schall im Vakuum ausbreiten?
Nein.
Im Vakuum fehlen die Teilchen, die mechanische Schwingungen weitergeben könnten. Deshalb können sich gewöhnliche Schallwellen dort nicht ausbreiten.
Licht verhält sich anders: Als elektromagnetische Welle benötigt es kein materielles Medium. Schall dagegen ist eine mechanische Welle.
Ein schwingendes Objekt in einem vollständigen Vakuum kann daher keinen Luftschall übertragen, sofern die Schwingung nicht über einen anderen Stoff, beispielsweise eine feste Struktur, weitergeleitet wird.
In welchen Medien kann sich Schall ausbreiten?
Schall kann sich in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten, wobei sich die Übertragungseigenschaften deutlich unterscheiden.
Luft ist das wichtigste Medium für die menschliche Wahrnehmung und für Umwelt- oder Arbeitsplatzgeräusche. Maschinenlärm, Verkehrslärm und Geräusche in Büroräumen werden in der Regel als Luftschall übertragen.
Auch Flüssigkeiten leiten Schall. Ein bekanntes Beispiel ist Sonar, das Schallwellen im Wasser für Ortung und Messung nutzt.
Festkörper können mechanische Schwingungen besonders wirksam übertragen. Maschinen können ihre Schwingungen über Fundamente, Rohrleitungen, Wände, Böden oder andere Gebäudeteile weitergeben. Dies wird häufig als Körperschall bezeichnet.
Bei einer professionellen Geräuschanalyse kann es daher notwendig sein, sowohl Luftschall als auch Körperschall zu berücksichtigen.
Wovon hängt die Tonhöhe ab?
Die Tonhöhe hängt hauptsächlich von der Frequenz ab.
Die Frequenz beschreibt die Anzahl periodischer Schwingungen pro Sekunde und wird in Hertz (Hz) angegeben.
Beispiele:
● 100 Hz entsprechen etwa 100 Schwingungen pro Sekunde.
● 1.000 Hz entsprechen etwa 1.000 Schwingungen pro Sekunde.
● 10.000 Hz entsprechen etwa 10.000 Schwingungen pro Sekunde.
Niedrige Frequenzen werden im Allgemeinen als tiefe Töne wahrgenommen, hohe Frequenzen als hohe Töne.
Der typische menschliche Hörbereich liegt ungefähr zwischen 20 Hz und 20 kHz. Der tatsächlich wahrnehmbare Bereich hängt jedoch unter anderem von Alter und individuellem Hörvermögen ab.
Schall unterhalb des typischen Hörbereichs wird als Infraschall, Schall oberhalb davon als Ultraschall bezeichnet.
Wovon hängt die Stärke eines Schalls ab?
Die Stärke eines Schalls hängt unter anderem von der Schwingungsamplitude der Quelle, dem Abstand, den akustischen Bedingungen und dem Schalldruck am Messort ab.
Stärkere Schwingungen führen im Allgemeinen zu größeren Druckänderungen im Medium.
Der tatsächlich gemessene Schallpegel wird jedoch von weiteren Faktoren beeinflusst:
● Abstand zur Schallquelle;
● Reflexionen an Wänden und Böden;
● Hindernisse;
● schallabsorbierende Materialien;
● atmosphärische Absorption;
● Überlagerung mehrerer Schallquellen;
● Position und Ausrichtung des Messpunkts.
Deshalb kann dieselbe Schallquelle an verschiedenen Positionen sehr unterschiedliche Messwerte ergeben.
In der praktischen Akustik wird der Schall an einem bestimmten Ort häufig durch den Schalldruckpegel beschrieben, der in Dezibel (dB) angegeben wird.
Was ist die Wellenlänge von Schall?
Die Wellenlänge beschreibt eine räumliche Eigenschaft einer Schallwelle und wird mit λ bezeichnet.
Zwischen Frequenz, Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit besteht die Beziehung:
Schallgeschwindigkeit = Frequenz × Wellenlänge
beziehungsweise:
c = f × λ
Dabei gilt:
● c = Schallgeschwindigkeit;
● f = Frequenz;
● λ = Wellenlänge.
Bei gleicher Schallgeschwindigkeit haben hohe Frequenzen kurze und niedrige Frequenzen lange Wellenlängen.
Die Wellenlänge beeinflusst unter anderem Beugung, Reflexion und räumliche Schallverteilung. Sie spielt deshalb bei Lärmminderung, Bauakustik und Maschinenakustik eine wichtige Rolle.
Wie schnell breitet sich Schall aus?
Die Schallgeschwindigkeit ist nicht unter allen Bedingungen gleich. Sie hängt vom Ausbreitungsmedium und dessen Zustand ab.
In Luft bei üblicher Raumtemperatur beträgt sie ungefähr 343 m/s. Der genaue Wert verändert sich insbesondere mit der Temperatur.
Mit steigender Lufttemperatur nimmt die Schallgeschwindigkeit in der Regel zu.
In Wasser und vielen Festkörpern ist die Schallgeschwindigkeit höher als in Luft. Der konkrete Wert hängt unter anderem von Dichte und Elastizität des Materials ab.
Bei präzisen akustischen Berechnungen sollte die Schallgeschwindigkeit daher nicht als universell konstanter Wert betrachtet werden.
Warum wird Schall mit zunehmender Entfernung schwächer?
Mit zunehmender Entfernung von der Quelle nimmt der Schallpegel in der Regel ab. Dieser Effekt wird als Schalldämpfung beziehungsweise Schallabschwächung bezeichnet.
Dafür gibt es mehrere Ursachen:
● Die Schallenergie verteilt sich auf eine zunehmend größere Fläche.
● Die Luft absorbiert einen Teil der Schallenergie.
● Wände, Maschinen, Möbel und andere Objekte absorbieren, reflektieren oder streuen Schall.
● Unterschiedliche Frequenzen werden unterschiedlich stark gedämpft.
● Boden, Gebäude und Umgebungsbedingungen verändern die Ausbreitung.
Der Schalldruckpegel nimmt daher mit größerer Entfernung meist ab. In komplexen Innenräumen oder Industriehallen können Reflexionen diesen Zusammenhang jedoch deutlich verändern.
Was geschieht, wenn Schall auf ein Hindernis trifft?
Trifft eine Schallwelle auf eine Wand, Maschine, einen Boden oder einen anderen Gegenstand, können verschiedene Effekte auftreten.
● Reflexion: Ein Teil des Schalls wird zurückgeworfen.
● Absorption: Ein Teil der Schallenergie wird vom Material aufgenommen.
● Transmission: Ein Teil des Schalls durchdringt das Material.
● Beugung: Schall breitet sich um Kanten und Hindernisse herum aus.
● Streuung: Unregelmäßige Oberflächen verteilen Schall in verschiedene Richtungen.
Das Verhalten ist außerdem frequenzabhängig.
Poröse Materialien absorbieren häufig mittlere und hohe Frequenzen gut, während tieffrequenter Schall meist schwieriger zu reduzieren ist.
Diese Vorgänge sind zentrale Grundlagen der Bauakustik und industriellen Lärmminderung.
Was passiert zwischen Schallquelle und menschlichem Ohr?
Eine vollständige Schallübertragung umfasst mehrere Schritte.
● Die Schallquelle schwingt: Beispielsweise Motor, Lautsprecher, Stimmbänder oder Maschinenteile.
● Die Schwingung wirkt auf das Medium: Luft oder andere Teilchen werden bewegt.
● Eine Schallwelle entsteht: Druckänderungen oder mechanische Störungen bilden sich.
● Die Schallwelle breitet sich aus: Energie wird durch das Medium übertragen.
● Die Welle erreicht das Ohr: Der wechselnde Luftdruck versetzt das Trommelfell in Schwingung.
● Das Hörsystem verarbeitet die Signale: Tonhöhe, Lautheit und Klangcharakter werden wahrgenommen.
Akustische Messgeräte arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, verwenden jedoch ein Mikrofon anstelle des menschlichen Ohrs.
Was ist der Unterschied zwischen Schall und Lärm?
Physikalisch sind Schall und Lärm keine grundsätzlich unterschiedlichen Phänomene. Beide bestehen aus Schallwellen.
„Schall“ ist ein neutraler physikalischer Begriff. „Lärm“ bezeichnet dagegen meist unerwünschten, störenden oder potenziell gesundheitlich relevanten Schall.
Maschinengeräusche sind physikalisch betrachtet Schall. In einer Arbeitsumgebung können sie jedoch als Lärm bewertet werden, wenn Pegel oder Einwirkdauer entsprechend hoch sind.
Bei einer Lärmbewertung werden beispielsweise berücksichtigt:
● Schalldruckpegel;
● Frequenzverteilung;
● Dauer;
● zeitlicher Verlauf;
● Expositionszeit;
● Messumgebung.
Eine professionelle Lärmbewertung sollte deshalb nicht ausschließlich auf subjektivem Hörempfinden beruhen, sondern auf geeigneten akustischen Messungen.
Wie misst ein Schallpegelmesser Schall?
Ein Schallpegelmesser erfasst die durch Schall verursachten Luftdruckschwankungen und wandelt sie in elektrische Signale um.
Ein typischer Signalweg lautet:
Schall → Mikrofon → elektrisches Signal → Signalverarbeitung → Pegelberechnung → Anzeige
Das Mikrofon ist das zentrale akustische Eingangselement. Treffen Schallwellen darauf, erzeugen die Druckschwankungen ein entsprechendes elektrisches Signal.
Anschließend verarbeitet das Gerät dieses Signal, beispielsweise durch Verstärkung, Frequenzbewertung, Zeitbewertung und digitale Signalverarbeitung. Das Ergebnis wird unter anderem in dB angezeigt.
Das Verständnis von Schallentstehung, Schallausbreitung und Schalldruck ist daher eine wichtige Grundlage für die Funktionsweise eines Schallpegelmessers.
FAQ
Entsteht Schall immer durch Schwingungen?
Im Bereich der klassischen Akustik entsteht Schall durch mechanische Schwingungen oder Störungen, die ein Medium zu Druck- oder Bewegungsänderungen anregen.
Warum hört man im Weltraum keinen normalen Schall?
Weil nahezu kein Medium vorhanden ist, das mechanische Schwingungen übertragen könnte.
Kann sich Schall im Wasser ausbreiten?
Ja. Wasser überträgt Druckänderungen und ermöglicht dadurch die Ausbreitung von Schallwellen.
Kann Schall durch Wände übertragen werden?
Ja. Eine Wand kann mechanisch angeregt werden und ihre Schwingungen weitergeben, sodass auf der anderen Seite erneut Luftschall entsteht.
Bedeutet eine höhere Frequenz automatisch einen höheren Schallpegel?
Nein. Die Frequenz beeinflusst vor allem die Tonhöhe. Die Schallstärke hängt unter anderem vom Schalldruck ab.
Sinkt der Schallpegel mit zunehmender Entfernung immer?
In der Regel ja, doch Reflexionen, Hindernisse, Absorption, Richtwirkung und mehrere Schallquellen können das Ergebnis beeinflussen.
Misst ein Schallpegelmesser direkt Dezibel?
Technisch erfasst das Mikrofon zunächst Druckschwankungen. Das Messgerät verarbeitet diese Signale und berechnet daraus beispielsweise den Schalldruckpegel, der in dB dargestellt wird.
Fazit
Schall ist eine mechanische Welle, die durch Schwingungen oder mechanische Störungen entsteht und sich in Luft, Flüssigkeiten oder Festkörpern ausbreitet. In Luft entstehen dabei wechselnde Druckänderungen, die Schallenergie transportieren.
Zu den grundlegenden Eigenschaften gehören Frequenz, Wellenlänge, Schalldruck und Schallgeschwindigkeit. Die Frequenz beeinflusst vor allem die Tonhöhe, während der Schalldruck für die akustische Messung von zentraler Bedeutung ist.
Da Schall ein Medium benötigt, kann er sich nicht im Vakuum ausbreiten. Während der Ausbreitung wird er außerdem durch Entfernung, Absorption, Reflexion, Beugung, Hindernisse und die Eigenschaften der Umgebung beeinflusst.
Schallpegelmesser nutzen ein Mikrofon, um die durch Schall verursachten Luftdruckschwankungen zu erfassen und in messbare elektrische Signale beziehungsweise Schallpegelwerte umzuwandeln.
