Schall

Dieser Text beschreibt Schall.

Schall (von althochdeutsch scal) genannt allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, wie er vom Menschen vernommen wird. Schall stellt die Schallfeld-Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichtestörungen in einem Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Wir unterscheiden den Nutzschall, wie ein Streichqartett oder ein Sinfonieorchester zur Erbauung und den Störschall, wie ein Presslufthammer oder der Verkehrslärm als großes Ärgernis. Siehe auch Schallausbreitung.

Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. In Gasen und in Flüssigkeiten ist Schall stets eine Longitudinalwelle, also auch in dem wichtigsten Medium, in Luft. In Festkörpern gibt es auch Transversalwellen. Schallwellen transportieren Energie und Informationen. Sie bewegen Mediumteilchen (meistens Luft) um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit c aus. Diese beträgt 343 m/s in Luft bei einer Temperatur von 20 °C und 1407 m/s in Wasser bei einer Temperatur von 0 °C. Zusätzlich ist Schall dadurch definiert, dass die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein in dem Verhältnis zu ihren Ruhegrößen sind. Das wird dadurch anschaulich, wenn man bei beispielsweise großem Lärm den Schalldruckpegel von 120 dBSPL (Dezibel), das ist etwa die Schmerzschwelle des Menschen, mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal (= 1013,25 Hektopascal) und bei einem Schalldruckpegel von 120 dBSPL beträgt der Effektivwert des Schalldrucks p = 20 Pascal = 20 N/m². Selbst bei diesem gewaltigen "Lärm" ist die Druckschwankung dennoch relativ klein.

Die zugehörige Wissenschaft ist die Akustik, welche wiederum ein Untergebiet der Gasdynamik ist. Die beiden Energieformen, die sich beim Schall ineinander wandeln, sind die Kompressionsenergie und die Bewegungsenergie als Schallenergiegröße, charakterisiert aber durch die Schallfeldgröße:

• Schalldruck p in dem N/m² = Pa (Pascal)
• Schallschnelle v in m/s

Die linearen Schallfeldgrößen und die quadratischen Schallenergiegrößen müssen deutlich auseinander gehalten werden.

Wellen sind zeitlich und örtlich periodische Veränderungen einer physikalischen Größe g(t,x). Der Schalldruck p ist die wichtigste Schallfeldgröße als Skalar überhaupt. Dies hat verschiedene Gründe: Der Druck ist relativ leicht messbar. Er ist eine anschauliche Größe, und vom Menschen physiologisch erfassbar. Auch die Schallschnelle v ist eine Schallfeldgröße als Vektor, wobei bei Einwirkung von Schall die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von den Fluidelementen (Luftteilchen) gemeint ist. Hierbei wird Geschwindigkeit als Begriff nie benutzt, da die Schallgeschwindigkeit c bereits die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle beschreibt. Die Schnelle ist nicht so leicht bestimmbar. Man muss sich hierbei klar werden, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei der Auslenkung der Fluidelemente klein in dem Vergleich zur Schallgeschwindigkeit sind: Bei einem "Lärm" von etwa 120 dB (Schmerzschwelle) beträgt die Schnelleamplitude in Luft gerade einmal 0,05 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen von 0 dBSPL hat die Schnelleamplitude einen Wert von 5 · 10^-8 m/s. Hierbei werden die Luftpartikel ca. ganz klein ausgelenkt. Daher ist die Schnelle sicher wesentlich ungeeigneter, um Schall zu quantifizieren. Man beachte außerdem, dass es sich bei der Schallschnelle um eine geordnete Bewegung aller Teilchen handelt. Eine ungeordnete Bewegung von Materieteilchen findet stets statt. Dieses Phänomen wird mit Erzeugung von Wärme genannt.

Entsprechend dem Gebiet der Frequenz f unterscheidet man:

• Infraschall < 16 Hz ist für Menschen nicht hörbar, da zu tief
• Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz, ist für Menschen hörbarer Schall
• Ultraschall von 20 kHz bis 1 GHz ist für Menschen nicht hörbar, da zu hoch
• Hyperschall > 1 GHz sind ca. noch bedingt ausbreitungsfähige Wellen

Schall ist in dem Gegensatz zu Licht eine Materiewelle. Da Schall zu seiner Ausbreitung ein materielles Medium benötigt, ist er in dem Vakuum nicht existent, z. B. auf dem Mond.

Schall wird mit Mikrofonen aufgenommen, die jeweils als Sensor in dem Schallfeld wirken und
Schall wird mit Lautsprechern als Spannungs- in Schalldruck-Wandlern wiedergegeben.