Akustik Grundlagen #1 – Was ist Schall?

Alles, was wir mit unserem Gehör wahrnehmen, nennt man Schall. Dazu zählt der Bereich von 16 Hz bis 20.000 Hz (20 kHz). Dazu zählt zum Beispiel Musik, Umgebungsgeräusche und Sprache.

Schall entsteht durch Schwingungen

Schall entsteht immer durch Schwingungen eines Gegenstand. Ein gutes Beispiel, welches man spüren kann, sind die Schwingung des Kehlkopfes beim Sprechen, Singen und Summen. Um Material in Schwingung zu versetzen muss man Energie aufwenden.

 

potentielle Energie = Energie der Lage

kinetische Energie = Energie der Bewegung

maximale Auslenkung > Epot = maximal

Nulldurchgang > Ekin = maximal

Fadenpegel Energie
Harmonische Schwingungen

Amplitude = maximale Auslenkung. Je größer die Amplitude, desto lauter der Ton.

Elongation = eine beliebige momentane Auslekung

Frequenz f = Schwingungen pro Sekunde. Wird in der Einheit Hertz (Hz) angegeben. Diese Einheit Hertz wurde nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857 – 1894) benannt.

  • 1 Hertz (1 Hz) = 1 Schwingung pro Sekunde
  • 1 Schwingung = hin und her

Periodendauer t = Zeit, welche für eine Schwingung benötigt wird.

Berechnung einer Wellenlänge

λ= T * c

λ … Wellenlänge [m]
T … Periodendauer [s]
c … Schallgeschwindigkeit [m/s]

λ= c / f

λ … Wellenlänge
c … Schallgeschwindigkeit f … Frequenz

• • •

c = 344 m/s

20 Hz → 17 m
1 kHz → 34 cm
20 kHz → 1,7 cm

Schallentstehung bei Musikinstrumenten

Saiteninstrumente

Bei Saiteninstrumenten (Gitarre, Geige, Bass, Harfe etc.) schwingen gespannte Saiten.

Die Tonhöhe des erzeugten Tons hängt von der Länge, der Dicke und der Spannung der schwingenden Saite ab:

Je dünner und je kürzer die Saite ist und je größer die Spannung der Saite ist, desto höher ist der entstehende Ton.

Gitarre

Blasinstrumente

Bei Blasinstrumenten wie Saxophon, Dudelsack oder einer Tropete schwingt eine Luftsäule innerhalb eines Hohlkörpers. Diese werden durch das Hineinblasen in das entsprechende Instrumente erzeugt.

Die Tonhöhe des erzeugten Tons hängt von der Länge der Luftsäule ab:

Je kürzer die schwingende Luftsäule ist, umso höher ist der erzeugte Ton.

Trompete

Membran- und Schlaginstrumente

Bei Schlaginstrumenten schwingt entweder ein Aufschlagstab (Xylophon), eine Membran (Tamburin, Trommel) oder auch das gesamte Instrument (Triangel).

Die Tonhöhe des erzeugten Tons hängt von der Größe des geschlagenen Gegenstandes ab, bei Membraninstrumenten auch von der Spannung der Membran:

Je kleiner der Gegenstand und je größer die Spannung der Membran ist, umso höher ist der erzeugte Ton.

Drums

Schlag- oder Saiteninstrument?

Nicht bei allen Instrumenten ist die Einteilung zu einer dieser drei Kategorien eindeutig. So ist das Klavier hinsichtlich der Bedienung ein Tasteninstrument und hinsichtlich der Erregungsart ein Schlaginstrument. Die Tonerzeugung wird jedoch über schwingende Saiten erreicht, weshalb wir in dieser Übersicht das Klavier zu den Saiteninstrumenten gezählt haben.

Piano

Ausbreitung von Schall

Jetzt wissen wir, Schall entsteht durch Schwingungen. Doch wie gelangt der Schall zu unserem Gehör?

Damit Schall sich ausbreiten kann, muss ein Stoff vorhanden sein, welcher sich verdichten und verdünnen lässt. In einem luftleeren Raum (Vakuum) kann sich Schall nicht ausbreiten.

Schall kann reflektiert werden. Wenn Schall zum Beispiel auf eine Mauer trifft, wird er dort reflektiert (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) und wird als sogenanntes Echo zurückgeworfen.

 

Kann sich Schall nur über Luft ausbreiten?

Legt man eine Schallquelle, wie ein Smartphone auf den Tisch, welches Musik abspielt und hält sein Ohr auf die Tischplatte, so stellt man fest, das die Musik sogar lauter zu hören ist. Der Schall breitet sich über die Tischplatte aus. Der Tisch agiert als erweiterter Membran.

In Wasser kann sich Schall sogar noch besser ausbreiten, als in Luft. Wale kommunizieren mit ihrem „Gesang“ über eine Strecke 2000 km.

Feste Stoffe leiten den Schall meist besser als Gase.

Wie schnell breitet sich Schall aus?

In einem direkten Gespräch mit deinem Gegenüber nimmst du direkt wahr, was die Person sagt. Scheinbar ohne Verzögerung. Beobachtest die Blitze bei einem Gewitter, ist der Donnerschlag meist erst einige Sekunden später zu hören. Hier bemerkt man, dass Schall eine gewisse Zeit benötigt, um eine Strecke zurückzulegen. Spürbar wird dies jedoch erst bei relativ weiten Strecken.

Schall legt in der Luft in 3 Sekunden ca. einen Kilometer zurück. Die Geschwindigkeit beträgt als etwa 333 Meter pro Sekunde. Wie viele Meter der Schall aber tatsächlich pro Sekunde zurücklegt, hängt auch von der Lufttemperatur ab. In der Audio Akustik geht man meist von 20 Grad Celsius aus. Bei 20 Grad Celsius kann Schall 344 Meter pro Sekunde zurücklegen. Das sind 1240 km/h.

 

Stoff
Schallgeschwindigkeit m/s
Kautschuk
40
Luft
344
Eisen
bis 5800
Wasser
1480
Holz
bis 5500

Je wärmer das Medium, desto schneller der Schall.

Reflexion von Schall

Wenn Schall auf einen dichten Gegenstand trifft, wird dieser zurückgeworfen und kommt als sogenanntes Echo etwas leiser zurück.

Verschiedene Materialien reflektieren unterschiedlich hoch. Feste Gegenstände wie Fliesen, Wände und Glasflächen reflektieren Schall sehr gut. Weiche Gegenstände wie Matratzen oder Teppiche reflektieren den Schall eher schlecht. Je nach Eigenschaft des Materials kann der Schall in einem bestimmten Frequenzbereich geschluckt (absorbiert) werden, indem er in energetisch gewandelt wird.

Zum Schluss wollen wir noch einmal die Größen Amplitude und Frequenz mit Hilfe von Schwingungsbildernverdeutlichen:

Die folgenden zwei Töne haben die gleiche Frequenz und damit die gleiche Tonhöhe.

Die Amplitude und damit die Lautstärke ist jedoch bei der zweiten Schwingung deutlich größer.

akustikleise Amplitude
akustiklaute Amplitude

Die folgenden zwei Töne haben die gleiche Amplitude und damit die gleiche Lautstärke.

Die Frequenz ist jedoch bei der zweiten Schwingung deutlich größer. Der Ton ist höher.

akustikniedrige Frequenz
akustikhohe Frequenz

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