PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER AKUSTIK

Dieses Online-Seminar bietet gebündelte Informationen zu den physikalischen Grundlagen der Akustik, insbesondere zur Schallentstehung und Schallausbreitung, z.B. den verschiedenen Geräuscharten sowie den Phänomenen der Reflexion, Brechung, Dämpfung, Beugung und Absorption. Auch das Thema Ultraschall wird kurz behandelt.

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Wir Menschen können Geräusche grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Arten wahrnehmen:

Meist hören wir Schall mit dem Gehör – hierbei regen die auf uns einwirkenden Luftschallwellen unser Trommelfell und damit unser Innenohr zum Schwingen an. Unser Gehirn verarbeitet diese Schwingungen – wir hören.

Schall können wir auch fühlen – wenn sich Schwingungen über Festkörper ausbreiten. Beispielsweise können wir einen vibrierenden Fußboden mit den Füßen spüren.

Demzufolge unterscheiden wir Luftschallquellen (können wir hören) und Körperschallquellen (können wir fühlen).

Die von Schallquellen emittierten Schallwellen breiten sich entweder in Festkörpern (Beispiel: Ganghebel im Auto), Flüssigkeiten (Beispiel: der Gesang der Wale im Meer) oder Gasen (Beispiel: Musik im Raum) aus.

Recht interessant ist der Unterschied zwischen einem Ton, einem Klang und einem Geräusch.

Einzeltöne werden meistens auf elektronischem Weg erzeugt, indem eine reine Sinusschwingung generiert wird. Sie werden als Pfeifen oder Summen wahrgenommen.

Musikinstrumente geben Klänge von sich. Sie erzeugen keine reinen Sinusschwingungen sondern eine Mischung aus miteinander verwobenen Sinusschwingungen. Wir hören die niedrigste im Klang vorhandene Frequenz als Tonhöhe. Die Klangfarbe, also ob wir ein Klavier hören oder eine Gitarre, hängt davon ab, wie sich die Obertöne zur Grundschwingung verhalten (Frequenzspektrum) und wie das Musikinstrument anschwingt und ausklingt (Zeitverlauf).

Ein Geräusch wiederum ist ein Gemisch verschiedenster, nicht oder nur schwach zusammenhängender Frequenzen. Mit dem Ausdruck "Geräusch" wird auch das Wort Rauschen (Wasserfall, etc.) verbunden. In einem Knall, also in einem sehr kurzzeitig vorhandenen Druckimpuls sind sehr viele Einzelfrequenzen vorhanden.

Wie aus einer Quelle im Wald Wasser entspringt erzeugt eine Schallquelle selbstredend Schall.

In unserer Welt gibt es unglaublich viele Schallquellen, die meisten sind uns natürlich bekannt. Neben schwingenden Festkörpern (z.B. Gitarrensaiten) können auch Luftsäulen schwingen (z.B. Orgel). Sehr bekannt sind uns schwingende Membranen, welche sich als Lautsprecher in unseren Musiksystemen zu erkennen geben. Auch Trommeln sind schwingende Mebranen. Und unser  "Trommelfell" ist eine in unserem Ohr eine schwingende Membran.

Die von den Schallquellen erzeugte Energie gelangt über das umgebende Medium zu den natürlichen oder künstlichen Schallempfängern (Ohren, Mikrofone, etc.).

Anders als Lichtwellen oder Mobilfunkwellen (elektro-magnetische Wellen) brauchen Schallwellen ein Medium um sich auszubreiten, also beispielsweise Luft, Wasser oder das Erdreich.

Beispielsweise kann sich Luftschall in den Weiten des Weltraumes nicht ausbreiten, da hier Vakuum besteht. Wir würden also am Mond unseren Nachbarn nicht hören. Aber nicht nur in Luft breitet sich Schall aus, sondern auch in Festkörpern und Flüssigkeiten.

Einfach zu merken ist die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Luft: Sie beträgt ca. 330 m/s. Also wenn wir einen Blitz sehen und der Donner ca. 3 Sekunden später bei uns eintrifft war der Blitz ca. 1 km (330 x 3) weit von uns entfernt.

Auffällig ist, dass sich der Schall in Festkörpern deutlich rascher ausbreitet als in Flüssigkeiten. Und in Flüssigkeiten ist der Schall viel schneller als in Luft. Besipielsweise breiten sich die Gesänge eines Wales im Meer ca. vier- bis fünfmal so schnell aus wie die Gesänge eines Vogels im Wald.

Der rechnerische Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Frequenz einer Schallwelle erfolgt ganz einfach über die Schallgeschwindigkeit.

Durch Umformung der nebenstehenden Formel ergibt sich, dass die Wellenlänge einer Schallwelle umso größer ist, je niedriger ihre Frequenz ist.

Da große Schall-Wellenlängen von der Luft und auch vom Nebel viel weniger stark absorbiert werden als kurze Wellenlängen geben Schiffshörner sehr tiefe Töne ab. Damit sind die Warnsignale der Schiffshörner am Meer über unglaublich große Entfernungen hörbar. Beispielsweise würde eine hochfrequente Schiffspfeife in vergleichsweise geringer Entfernung nicht mehr hörbar sein.

Bei der Reflexion von Schallwellen treten ähnliche Effekte auf wie bei der Reflexion von Licht. Beispielsweise entspricht der Einfallswinkel einer Schallwelle dem Ausfallswinkel.

Bei der Reflexion wird der Schallwelle Energie entzogen und in Wärmeenergie umgewandelt. Der Absorptionsgrad Alpha ist ein Maß für die Fähigkeit einer Oberfläche, Schallenergie zu absorbieren, d. h. in Wärme umzuwandeln.

Interessant ist, dass Glas- oder Betonoberflächen nur wenig Schallenergie aufnehmen (kleiner Absorptionsgrad), also viel Schallenergie reflektieren. Räume mit glatten Oberflächen sind deshalb oft sehr hallig. Poröse Schaumstoffe entziehen Schallwellen mittlerer und hoher Frequenzen viel Energie, und Resonatoren (Helmholtz, Platten, etc.) sind tieffrequent wirksam. Deshalb werden Schaumstoffe und Resonatoren oft für die akustische Optimierung von Räumen eingesetzt.

Bei einem flachen Schalleinfall dreht sich die Phase der reflektierten Welle an der Reflexionsstelle um 180° (Prinzip der Phasenumkehr).

Die so entstehende „Gegenschallwelle“ überlagert sich mit der ursprünglichen Schallwelle zu einer Welle mit deutlich geringerer Schallenergie.

Da dieser Effekt nur bei flachem Schalleinfall auftritt ist der Verkehrslärm in den unteren Stockwerken eines Hauses oft ein viel kleineres Problem als in den oberen Stockwerken. Oben ist es einfach lauter!

Ähnlich wie die Brechung von Lichtstrahlen geschieht auch die Brechung von Schallwellen.

Zur Erklärung: Die Brechung von Lichtwellen erkennen wir sehr gut an galtten Wasseroberflächen. Wenn wir einen Stab schräg in das Wasser halten, erscheint dieser gerade Stab genau an der Wasseroberfläche als gebrochen bzw. gebogen. Hier wird der optische Brechungseffekt ganz deutlich sichtbar.

Ähnlich verhält es sich in der Akustik bei den Schallwellen: Wenn eine Schallwelle in ein dichteres Medium eintritt, so wird sie „verbogen“ bzw. "gebrochen".

Dies hat weitreichende akustische Konsequenzen:

Beispielsweise tritt der akustische Brechungseffekt auf, wenn eine Schallwelle von einer warmen Luftzone in eine kältere Luftzone eintritt – die Schallwelle wird dann in Richtung der kälteren Luftschicht gebrochen.

Deswegen ist beispielsweise der Verkehrslärm bei Inversionswetterlagen (oben warme, unten kalte Luftmasse) besonders gut hörbar.

Ebenso wird eine Schallwelle infolge des Brechungsgesetzes bei ihrer Ausbreitung gegen den Wind nach oben „verbogen“ und bei ihrer Ausbreitung mit dem Wind nach unten.

Deswegen hören wir weit entfernte Straßen lauter, wenn der Wind von dieser Straße kommt und weniger laut wenn der Wind in die Richtung der Straße weht.

Wie wir aus Erfahrung wissen, sind weit entfernte Objekte leiser zu hören als nahe. Dieser Effekt hat einerseits damit zu tun, dass sich Schallwellen auf einer Kugeloberfläche ausbreiten und andererseits damit, dass die Atmosphäre, durch die sich der Schall ausbreitet die Schallwelle dämpft bzw. schwächt.

Dies geschieht dadurch, dass die Luftmoleküle bei Anregung durch eine Schallquelle aneinander reiben und diese Reibung zu einer (sehr kleinen) Wärmeentwicklung führt.

Wichtig dabei ist, dass Schallwellen mit vergleichsweise großen Wellenlängen zu geringeren atmospärischen Reibungsverlusten führen als Schallwellen mit kleineren Wellenlängen.

Deshalb werden tieffrequente Schallwellen deutlich weniger gedämpft als hochfrequente Schallwellen, was wiederum dazu führt, dass weithin hörbare Schallquellen, z.B. Schiffshörner) tieffrequent sein müssen.

Der letzte wichtige, hier beschriebene Effekt ist der Beugungseffekt von Schallwellen. Wir beobachten ihn, wenn wir hinter Hausecke stehen, und Fahrzeuge hören, die wir nicht sehen können. Dann beugt die Schallwelle des Fahrzeugs um diese Hausecke.

Nun gibt es einige wichtige Punkte die bei der  Beugung von Schallwellen beachtet werden sollten. Insbesondere stellen wir fest, dass Schallwellen um runde Objekte (z.B. über einen Schallschutzwall) besser beugen als um eckige Objekte (z.B. über eine Schallschutzwand). Deshalb ist die akustische Wirkung einer Schallschutzwand besser als die akustische Wirkung eines gleich hohen Schallschutzwalles.

Interessant ist auch, dass tieffrequente Schallwellen (z.B. das Brummen von Fahrzeugen) stärker um Hindernisse herum beugen als hochfrequente Schallwellen (z.B. Windgeräusche oder Reifengeräusche von Fahrzeugen). Deshalb können hinter einer Lärmschutzwand die tieffrequenten Geräuschanteile von Fahrzeugen besser wahrgenommen werden als die hochfrequenten Geräuschanteile. Die Fahrzeuge hören sich hinter einer Schallschutzwand eher „brummig“ an.

Wir Menschen hören in jungen Jahren Frequenzen von etwa 20 Hz (sehr tiefe Töne) bis 20.000 Hz (sehr hohe Töne). Mit zunehmendem Alter sinkt die maximal hörbare Frequenz bei vielen Menschen dramatisch, zum Beispiel auf 15.000 Hz.

Frequenzen oberhalb von 20.000 Hz können wir mit unseren Ohren normalerweise nicht hören. Diese Frequenzen bezeichnen wir als Ultraschall.

Ultraschall hat deutlich kürzere Wellenlängen als normaler, hörbarer Schall. Durch seine kleine Wellenlänge ist er hoch energetisch und kann in die kleinsten Ritzen eindringen.

Deshalb kann Ultraschall für verschiedenste Technologien eingesetzt werden. Sehr bekannt sind medizinische Ultraschalluntersuchungen, aber auch eine Ultraschallmassage ist möglich. Beim Ultraschalllöten werden die Bauteile durch die hochfrequenten Ultraschall-Schwingungen und die dadurch entstehende Hitze zusammengeschmolzen.

Auch interessant: Fledermäuse können ihre Beute in der Nacht "sehen", indem sie Ultraschallwellen aussenden und die Reflexionen mit ihren Ohren auffangen um ihre Beute zu lokalisieren. Um die Beute ortsgenauer aufzulösen, erhöhen Sie beim Beuteanflug die Ultraschall-Frequenz wesentlich. So können sie sogar die Behaarung ihrer Beute "sehen".