Grundkurs Schall

Schall entsteht durch kleine Druckschwankungen in der Luft, im Wasser oder durch andere Materialien. Schallwellen sind also Bewegungsenergie in Form von Schwingungen, die für uns Menschen normalerweise durch die Luft wahrgenommen werden. Und die Schallquelle selbst, die die Luft zum Schwingen bringt, ist normalerweise eine vibrierende Oberfläche. Zum Beispiel sind unsere Stimmen das Ergebnis von Stimmbändern, die mithilfe von Luft aus der Lunge vibrieren. Auf die gleiche Weise funktionieren Saiten auf einer Gitarre oder die Membran in einem Lautsprecher. Schall kann auch durch eine schnelle Verbrennung erzeugt werden, z.B. eine Explosion. Wenn die Schallwellen unsere Ohren erreichen, werden sie in Signale umgewandelt, die an das Gehirn gesendet werden und dann nehmen wir sie als Schall wahr.

Schallfrequenz

Die Frequenz gibt an, welchen Ton der Schall hat. Ein hochfrequenter Ton ist pfeifend oder scharf, während ein niederfrequenter Ton dröhnend oder donnernd wirkt. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen und gibt an, wie viele Schwingungen eine Schallwelle pro Sekunde hat. 1 Hz bedeutet eine Schwingung pro Sekunde. Das menschliche Ohr kann bestenfalls Schall mit 20 bis 20.000 Hz wahrnehmen. Schall oberhalb von 20.000 Hz heißt Ultraschall, unterhalb von 20 Hz wird er Infraschall genannt. Viele Tiere können jedoch einen viel größeren Frequenzbereich wahrnehmen. Zum Beispiel können Hunde hochfrequente Geräusche bis zu 60.000 Hz wahrnehmen. Deshalb reagieren sie auf spezielle Pfeifen, die wir als völlig lautlos empfinden.

Es gibt Audio-Liebhaber (Audiophile), die behaupten, dass Töne außerhalb des hörbaren Bereichs trotzdem im Film- und Musikkontext eine Rolle spielen. Sie sagen, dass Infraschall gut für die Basswiedergabe ist, weil dieser den Raum "atmen" lässt, während Ultraschall mit "Rauminformationen" beiträgt, so wie ein Gitarrist bei einer Live-Aufnahme hinter dem Sänger steht. Mit anderen Worten, ziemlich anspruchsvoll.

Wenn wir schon über Musik und HiFi sprechen, können wir die Gelegenheit nutzen, um zu erläutern, wie Schallfrequenzen in einem Lautsprecher behandelt werden. Die meisten teuren Lautsprecher sind in mindestens drei Elementen unterteilt, die unterschiedliche Frequenzbereiche verarbeiten: Bass (ca. 20–200 Hz), Mitten (ca. 200–2.000 Hz) und Höhen (ca. 2.000–20.000 Hz). Auf Englisch erhält das Basselement seinen Namen von Hundebellen (Woofer) und das Höhenelement hat seinen Namen von Vogelzwitschern (Tweeter). Menschliche Stimmen liegen im Mittenbereich und hier sind auch unsere Ohren am empfindlichsten, d.h. am besten, wenn es darum geht, Nuancen im Klang wahrzunehmen. 

Da niederfrequente Töne größere Wellenlängen haben, dringen sie besser in verschiedene Materialien ein, als hochfrequente. Deshalb hören Sie den Bass aus den Lautsprechern des Nachbarn, aber nicht die Höhen. Aus dem gleichen Grund wird ein Schallabsorber umso effizienter, je höher die Schallfrequenz ist. Niedrige Töne verteilen sich auch besser im Raum als hohe Töne. Daher spielt es eine geringe Rolle, wo sich der Subwoofer eines Soundsystems im Raum befindet. Das menschliche Ohr kann nämlich ohnehin nicht feststellen, woher der tiefe Ton kommt.

Lautstärke

Die Lautstärke oder der Schalldruckpegel bezeichnet, wie laut oder wie sehr der Schall klingt. Die Bergspitzen und Täler in einer Schallwelle werden als Amplitude bezeichnet. Die Amplitude bestimmt die Lautstärke. Sie wird in Dezibel (dB) gemessen, und 0 dB ist die Grenze dessen, was ein menschliches Ohr wahrnehmen kann. Bei ca. 85 dB beginnt die Lautstärke schädlich zu werden, bei 130 dB liegt die Schmerzschwelle vor und bei 180 dB reißt das Trommelfell. .

Die Dezibel-Skala ist logarithmisch, was kurz gesagt bedeutet, dass die Werte kniffliger zu verstehen sind als z.B. Entfernung in Metern oder Gewicht in Kilogramm. Es handelt sich um eine Kurve, die mit zunehmender Höhe steiler wird und bei der die wahrgenommene Lautstärke bei jeder Erhöhung um 10 dB doppelt so hoch wird. Dies bedeutet, dass ein 90-dB-Rasenmäher doppelt so laut wahrgenommen wird wie ein 80-dB-Lkw, der gleiche Rasenmäher jedoch 32-mal lauter wirkt als ein 30-dB-Flüstern.

Schallgeschwindigkeit

Je dichter eine Substanz ist, desto schneller bewegt sich der Schall darin. In der Luft bewegen sich Schallwellen mit ca. 340 m/s, was 1.224 km/h oder Mach 1 entspricht. In Wasser sind es ungefähr 1.500 m/s und in Metall sind es je nach Typ bis zu ungefähr 6.300 m/s. Wenn ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet, sprengt es die Schallmauer. Eine Druckwelle entsteht, und wenn sie auf den Boden trifft, wird sie zu einem explosionsartigen Knall, der Fenster und ganze Gebäude zerstören kann. Daher ist es seit langem verboten, zivilen Flugverkehr mit Überschallgeschwindigkeit zu betreiben, wo sich Gebäude befinden.

Schall als Werkzeug

Mithilfe der Schallgeschwindigkeit können wir Entfernungen auf verschiedene Arten messen. Ein Echolot sendet beispielsweise Schallwellen aus und misst dann, wie lange es dauert, bis sie zurückprallen. Da wir wissen, wie schnell sich der Schall im Wasser bewegt, kann das Echolot messen, wie tief es ist.

Wir können auch die Schallgeschwindigkeit verwenden, um zu berechnen, wie weit ein Blitzschlag entfernt ist. Da es ungefähr 3 Sekunden dauert, bis sich der Schall 1 km bewegt und das Licht unfassbar viel schneller ist (ungefähr 300.000 km/s), können wir berechnen, wie viele Sekunden es dauert, bis uns der Donnerschlag erreicht, nachdem wir den Blitz gesehen haben. Wenn es 3 Sekunden dauert, ist er also 1 km entfernt. 

Eine andere nahezu magische Technik, die auf Schalltechnik basiert, ist die aktive Rauschreduzierung einiger Kopfhörer. Damit das funktioniert, wird ein Mikrofon verwendet, das die Schallwellen von Hintergrundrauschen oder Störgeräuschen aufnimmt. Über die Kopfhörer werden dann genau die gleichen Schallwellen gesendet, jedoch komplett spiegelverkehrt. Das Ergebnis ist Stille und Sie vermeiden Lärm im Büro, im Bus oder wo auch immer. Diese Technologie wird auch in einigen Autos und Flugzeugen verwendet.

So funktioniert das Ohr

Unsere Ohren bestehen aus drei Teilen: Außenohr, Mittelohr und Innenohr. Der äußerste Teil ist die Ohrmuschel, d.h. das, was wir oftmals das Ohr nennen. Die Aufgabe der Ohrmuschel ist es, Schallwellen aufzufangen und in den Gehörgang zu führen. Ein Stück weiter innen erreichen diese das Trommelfell, dass dann zu vibrieren beginnt. Das Trommelfell sendet die Wellenbewegungen über die drei Hörknochen im Mittelohr in die Hörschnecke des Innenohrs. Die Haarzellen in der Hörschnecke senden dann Nervensignale an das Gehörzentrum im Gehirn und wir nehmen die Schallwellen als Schall wahr. Wenn der Druck auf das Trommelfell zu groß wird, kann es reißen. Dies kann durch ein lautes Geräusch oder einen Schlag gegen das Ohr erfolgen. Oder der Druck kann von innen in Form einer Ohrenentzündung kommen. Allerdings neigt das Trommelfell dazu, schnell von selbst zu heilen.

Nachhall und Echo

In allen Räumen gibt es einen gewissen Nachhall. Dies bedeutet, dass der Schall reflektiert wird und somit im Raum verweilt. Ob ein Raum einen langen oder kurzen Nachhall hat, können Sie mit einem normalen Händeklatschen testen. Je schneller der Schall abklingt, desto kürzer ist der Nachhall des Raums, was gut ist.

Echo ist im Grunde das gleiche Phänomen wie Nachhall. Es tritt auch auf, wenn Schall von einer Oberfläche reflektiert wird, aber mit einer so großen Verzögerung wieder wahrgenommen wird, dass er wie ein eigenständiges Geräusch wirkt. Normalerweise ist eine Verzögerung von einer Zehntelsekunde erforderlich, damit sie als Echo wahrgenommen wird. Dies bedeutet, dass die reflektierende Oberfläche mindestens 17 Meter entfernt sein muss. Es können jedoch schnellere Echos auftreten, wenn der Schall in kürzeren Abständen mehrmals zwischen zwei Oberflächen abprallt. Das wird Flatterecho genannt und kann in Fußgängertunneln und dergleichen vorkommen. Das Echo wird außerdem stärker, wenn die reflektierende Oberfläche gewölbt ist.