Wellen umgeben uns überall und sind essenziell für das Leben auf der Erde. Einige davon kannst Du sogar mit Deinen Sinnen wahrnehmen: Wenn Lichtwellen Dein Auge treffen, so siehst Du Strukturen, Farben und Kontraste. Allerdings gibt es auch eine ganz andere Art von Wellen, die Du zwar nicht mit Deinen Augen, jedoch mit Deinen Ohren detektieren kannst – nämlich den Schallwellen.
Die Lehre vom Schall kann nicht nur in der Physik angewendet werden, wo der Schall durch die Schallgeschwindigkeit, Wellenlänge oder Frequenz beschrieben wird. Eine wichtige Anwendung findet sie auch in der Akustik, die sich mit Ton, Klang und Geräusch beschäftigt. Außerdem ist Schall auch von großem Interesse für die Bautechnik. Diese beschäftigt sich unter anderem mit der Dämmung von Wänden, damit sie Schall so gut wie möglich absorbieren und Du Deine Nachbarn nicht hörst.
Das alles und noch viel mehr – insbesondere die genaue Definition, so wie einige Beispiele zu Schallquellen – findest Du in dieser Erklärung!
Schall – Transversal- und Longitudinalwellen
Es gibt unterschiedliche Arten von Wellen: Wellen auf einer Wasseroberfläche oder die La-Ola Welle im Stadion. In der Physik sind allerdings andere Formen von Wellen interessanter – Transversalwellen und Longitudinalwellen.
Transversalwellen schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung.
Longitudinalwellen hingegen schwingen parallel zu ihrer Ausbreitungsrichtung.
Im Allgemeinen transportieren Wellen Energie (jedoch keine Teilchen). Die Ausbreitungsrichtung einer Welle entspricht auch der Richtung, in welche Energie übertragen wird. In der Erklärung zur Wärmestrahlung findest Du ein konkretes Beispiel dafür.
Diesen Unterschied kannst Du Dir an einem einfachen Beispiel verdeutlichen und vielleicht sogar selbst ausprobieren!
Betrachte eine
Kette aus Teilchen (oder Perlen), die durch
kleine Sprungfedern miteinander verbunden sind. Diese „Teilchenkette“ kannst Du nun auf unterschiedliche Weise zum
Schwingen bringen.Zum einen kannst Du das eine Ende der Kette
hoch- und runterbewegen. Dabei schwingen auch die Teilchen hoch und runter und diese
Bewegung setzt sich entlang der Teilchenkette fort – es entsteht also eine
Schwingung senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung, die sich als
Transversalwelle ausbreitet.
Die andere Möglichkeit ist, am einen Ende der Teilchenkette zu ziehen und sie dann wieder nach vorn zu drücken. Machst Du dies mehrmals, so setzt sich diese „Hin und Her-Bewegung“ entlang der Teilchenkette fort. Die Schwingung erfolgt somit genau entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle. Damit ist dies eine Longitudinalwelle.
Sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen begegnen Dir ständig im Alltag. Beispielsweise besteht das Sonnenlicht oder das Licht Deiner Tischlampe aus elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Eigenschaften. Diese sind Transversalwellen.
Wenn Du mehr über die Zusammensetzung von Licht wissen möchtest, dann schau doch mal in die Erklärung zu „Lichtmodelle“ oder „Lichtwellen“ rein!
Zu Longitudinalwellen zählen hingegen ganz andere Art von Wellen, die Du zwar nicht sehen – aber dafür hören kannst!
Lehre vom Schall
Licht sind elektromagnetische Wellen – diese kannst Du über Deine Augen wahrnehmen. Auch über Deine Ohren nimmst Du Wellen wahr, in diesem Fall sind es allerdings Schallwellen.
Wenn ein Geräusch erzeugt wird, werden die Moleküle in unmittelbarer Umgebung von der Geräuschquelle weggedrückt. Dabei stoßen sie an ihre Nachbarn, an denen sie „abprallen“. Dadurch beginnen sie, hin und her zu schwingen:
Auch die Nachbarn werden durch den Stoß zum Schwingen angeregt und regen wiederum ihre nächsten Nachbarn an. Diese Schwingungen erfolgen dabei parallel zur Ausbreitungsrichtung der entstandenen Schallwelle.
Kurz gesagt, breitet sich die Molekülschwingung also durch Druckunterschiede aus. Diese äußern sich als Longitudinalwelle, die Du auch als Druck- oder Schallwelle bezeichnen kannst.
Schall Definition
Schallwellen sind also Longitudinalwellen, die durch Druckschwankungen in einem Medium entstehen. Diese lassen sich – genau wie Lichtwellen im elektromagnetischen Spektrum – im akustischen Spektrum kategorisieren.
Wenn Dich das elektromagnetische Spektrum näher interessiert, dann schau doch in der Erklärung zum Farbspektrum vorbei!
Das akustische Spektrum teilt Schallwellen in drei Kategorien ein:
- Infraschall (Frequenzen unterhalb 20 Hertz)
- Hörschall (Frequenzen von 20 bis 20000 Hertz)
- Ultraschall (Frequenzen oberhalb 20000 Hertz)
Davon ist lediglich der Hörschall für Menschen hörbar.
Oft werden Schallwellen im Hörschall-Bereich einfach nur als Schall bezeichnet.
Da das Gehör von Mensch zu Mensch variiert, können einige Menschen sogar bis in den Infraschall-Bereich hineinhören! Diese Schallwellen werden etwa von Windkraftanlagen ausgesandt und lassen sich als ein tiefes Brummen wahrnehmen. Katzen und Hunde können wiederum neben dem Hörschall auch Frequenzen aus dem Ultraschallbereich hören.
Ultraschall wird auch beim Arzt als Diagnosemethode verwendet. Wenn Du mehr darüber wissen möchtest, dann schau in der Erklärung zum Doppler Effekt vorbei.
Schallwellen werden also nach ihrer Frequenz kategorisiert. Doch was genau ist die Frequenz und wie beeinflusst sie unsere Wahrnehmung?
Wellenlänge Schall Frequenz
Wenn Du Wellen beschreiben möchtest, so sind – neben ihrer Amplituden – die Wellenlänge und die Frequenz von besonderer Bedeutung.
Die Wellenlänge \(\lambda\) gibt den kleinsten Abstand zweier Punkte an, an denen die Welle nach einer vollen Schwingung wieder dieselbe Amplitude aufweist:
Die Frequenz \(f\) gibt an, wie viele Schwingungen die Welle innerhalb einer gewissen Zeitspanne – meistens pro Sekunde – ausführt.
Als Abstand wird die Wellenlänge entsprechend in einer Längeneinheit angegeben. Da sich die Abstände bei Wellen in winzigen Größenordnungen bewegen, ist die entsprechende Einheit Nanometer (nm): \([\lambda]=1\, \mathrm{nm}\). Frequenzen werden wiederum in einer Anzahl pro Sekunde angegeben. Diese Einheit wird durch Hertz abgekürzt: \([f]=1\,\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{s}}=1\,\mathrm{Hz}\).
Während die Frequenz sowohl für Wellen, als auch für Schwingungen angegeben werden kann, so ist die Wellenlänge eine reine Welleneigenschaft.
Dir ist der Unterschied zwischen Schwingung und Welle nicht bekannt? Kein Problem! Eine Schwingung kann etwa an einer Stelle von einer Richtung zur anderen erfolgen. Eine Welle ist wiederum die räumliche Ausbreitung einer Schwingung.
Die Frequenz \(f\) und die Wellenlänge \(\lambda\) hängen über die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle \(v\) miteinander zusammen:
Dabei ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig davon, welche Art von Welle betrachtet wird: Im Fall von Lichtwellen ist es nämlich die Lichtgeschwindigkeit. Beim Schall entspricht es wiederum der Schallgeschwindigkeit.
Aus dieser Formel folgt, dass die Wellenlänge größer wird, wenn die Frequenz sinkt. Andersherum sinkt die Wellenlänge, sobald die Frequenz steigt. Für die Welle bedeutet dies, dass sie im ersten Fall gestreckt und im zweiten Fall gestaucht wird. Doch wie wirkt sich jetzt die Frequenz einer Schallwelle auf unser Gehör aus?
Die Frequenz einer Schallwelle beeinflusst die Höhe des empfangenen Tons: Je höher die Schallfrequenz ist, desto höher klingt auch der Ton. Tiefe Töne haben hingegen auch eine niedrige Frequenz.
Neben der Frequenz ist auch die Amplitude der Schallwelle ausschlaggebend, denn diese gibt an, ob ein Ton leise oder laut ist. Mehr dazu erfährst Du in der Erklärung über Töne.
Schall kannst Du also hören und dieser wird stets durch eine Schallquelle erzeugt.
Schallquellen
Die einfachste Schallquelle sind dabei Deine Stimmbänder. Diese können durch Luftströmungen aus Deiner Lunge in Schwingung versetzt werden und dadurch unterschiedliche Geräusche, die aus Deinem Mund kommen, regulieren. Wenn Dir ein Buch auf den Boden fällt, so wird ebenfalls Schall erzeugt – in diesem Fall ist Dein Buch die Schallquelle.
Auch Flugzeuge oder andere motorisierte Flug-, Schwimm- oder Fahrobjekte sind Schallquellen, denn Du kannst sie immerhin hören. Weitere Quellen für Hörschall sind Musikinstrumente, eine Autohupe oder die Fahrradklingel.
Im Alltag begegnen Dir unterschiedliche Schallquellen und viele von denen sogar gleichzeitig. Wie zwei Schallquellen einander beeinflussen, kannst Du bei der Zwei-Quellen-Interferenz nachlesen.
Wie Du sehen kannst, gibt es – im Gegensatz zu Lichtquellen – unzählige Beispiele für Schallquellen. Doch nicht alle von ihnen haben dieselbe Wirkung auf das menschliche Gehör.
Ton, Geräusch, Knall und Klang Schall
Vergleiche den Klang einer Flöte mit dem Baustellengeräusch, dem Knall von Silvesterraketen oder dem Piepton, wenn Du jemanden anrufen möchtest. All das ist Schall – jedoch in unterschiedlichen Formen und entsprechend hört es sich auch ganz unterschiedlich an.
Beispielsweise besteht ein Ton aus einer einzigen Frequenz – deswegen wird er auch oft als reiner Ton bezeichnet.
Werden mehrere reine Töne unterschiedlicher Frequenzen überlagert, so entsteht Klang. Die Frequenzen müssen dabei stets ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sein. Klang entspricht somit einem Tongemisch aus Grundton und den Obertönen, wobei die Frequenz des Grundtons die Klangfarbe angibt.
Oftmals werden „Töne“ und „Klänge“ synonym verwendet. In der Akustik besteht jedoch der beschriebene Unterschied. Wie Klänge in Instrumenten erzeugt werden, kannst Du unter „Stehende Welle“ nachlesen.
Ferner gibt es Geräusche. Diese setzen sich aus unterschiedlichen Tönen unterschiedlicher Frequenzen zusammen, die kein bestimmtes Verhältnis zueinander haben. Ein Knall ist wiederum ein sehr kurzes Geräusch.
Egal, welche Form von Schall Du betrachtest, so haben alle dieselben Eigenschaften.
Eigenschaften vom Schall
Da sich Schallwellen durch Druckschwankungen fortpflanzen, benötigen sie auch ein Medium, um sich auszubreiten. Eine Ausbreitung durchs Vakuum ist somit nicht möglich – deswegen hörst Du auch nichts im Weltraum.
Allerdings breitet sich Schall in unterschiedlichen Stoffen unterschiedlich schnell aus. Wie schnell Schall ist, wird durch die Schallgeschwindigkeit angegeben.
Schallgeschwindigkeit
So wie Licht eine bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit hat, die durch die Lichtgeschwindigkeit gegeben ist, kann sich auch Schall mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten.
Wie schnell sich der Schall von seiner Quelle entfernt, bezeichnest Du als Schallgeschwindigkeit \(v\). In Luft beträgt der entsprechende Wert:
Im Gegensatz zu Licht – das kein Medium zur Ausbreitung benötigt – breitet sich Schall durch Teilchenbewegung aus. Deswegen ist Schall stets langsamer als Licht. Dies kannst Du besonders gut an einem Naturphänomen beobachten:
Vielleicht hast Du selbst bei einem Gewitter mal bemerkt, dass der Blitz immer vor dem Donnergeräusch sichtbar ist. Das Kuriose ist dabei, dass beides – der Blitz und der Donner – gleichzeitig entstehen.
Dass Du den Blitz dennoch zuerst siehst, liegt daran, dass die Lichtgeschwindigkeit \(c=2{,}9979\cdot 10^8\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\) viel höher ist, als die Schallgeschwindigkeit \(v=343\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\). Demnach erreicht Dich das Licht der Entladung durch den Blitz etwas schneller als der Schall (Donner).
Übrigens entsteht der Donner, weil sich die Luft in der Nähe des Blitzes schlagartig ausbreitet und dabei die Schallmauer durchbricht. Wie das genau funktioniert, erfährst Du in der Erklärung zum Doppler Effekt.
Mit der Schallgeschwindigkeit kannst Du berechnen, wie weit das Gewitter entfernt ist. Dazu zählst Du die Sekunden, die zwischen dem Blitz und dem Donner vergangen sind. Den entsprechenden Wert multiplizierst Du dann mit der Schallgeschwindigkeit:
Mit jeder Sekunde steigt die Entfernung also um \(343\,\mathrm{m}\).
Als Faustregel kannst Du Dir dabei merken, dass drei Sekunden etwa einem Kilometer Entfernung entsprechen!
Genauso wie auch Licht breitet sich Schall in unterschiedlichen Materialien unterschiedlich schnell aus. Dabei hängt die Schallgeschwindigkeit einerseits davon ab, wie nah die Teilchen einander sind und andererseits von der Temperatur des betrachteten Mediums. Die Schallgeschwindigkeit in einigen Stoffen bei einer Temperatur von \(20\;^\circ C\) ist in der folgenden Tabelle angegeben:
Material | Schallgeschwindigkeit in \(\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\) |
Luft | 343 |
Wasser | 1484 |
Stahl | 5850 |
Tabelle 1 - Schallgeschwindigkeiten in einigen Materialien bei \(20\,^\circ \mathrm{C}\).
Dabei fällt auf, dass sich Schall schneller in Stoffen ausbreitet, in denen die Teilchen näher beieinander sind, um die Welle „weiterzugeben“. In Gasen (z. B. Luft) sind die Teilchen weiter voneinander entfernt als in Flüssigkeiten (z. B. Wasser). Daher benötigt die Druckwelle auch deutlich länger in Luft als in Wasser.
In Feststoffen ist die Schallgeschwindigkeit allgemein am höchsten. Allerdings besteht auch da ein Unterschied: Wenn Du etwa auf eines Deiner Hausrohre schlagen würdest, würden Deine Nachbarn dies viel schneller hören, als wenn Du gegen die Wand schlägst. Glücklicherweise ist es allerdings nicht so einfach, seine Nachbarn zu belästigen – denn moderne Häuser sind in der Regel gut gegen Schall isoliert.
Schall Absorbieren und Reflektieren: Dämmung
In der Bautechnik wird oft zwischen Luft- und Raumschall unterschieden.
Schall, der sich frei im Raum ausbreitet, nennst Du Luftschall. Schall, der über ein festes Material weitergegeben wird, heißt Körperschall.
So wie andere Wellen können auch Schallwellen an Hindernissen reflektiert werden. Dies passiert unter anderem, wenn Luftschall auf eine Wand trifft:
Die Reflexion erfolgt dabei nach dem Reflexionsgesetz, wobei der Winkel vom einfallenden Schall und vom reflektierten Schall gleich ist. Der von der Wand reflektierte Schall trifft etwas später auf das Ohr, als der einfallende Schall.
Der Schall kann auch an mehreren Wänden reflektiert werden, bevor er auf Dein Ohr trifft. Dies wird durch moderne Soundsysteme genutzt, indem sie den Raum ausmessen und den Schall so durch den Raum senden, dass er von allen Richtungen auf Dein Ohr trifft – obwohl er aus einer Richtung ausgesandt wird.
Der Teil des Schalls, der nicht reflektiert wird, wird von der Wand absorbiert: Die Moleküle des Baumaterials werden dabei zu Schwingungen angeregt, wobei die Energie der Schallwelle teilweise in Wärme umgewandelt wird. Durch Wärmeleitung kann diese dann im Material weitergegeben werden und steht der Weitergabe durch Schall (Körperschall) nicht mehr zur Verfügung.
Du fragst Dich, was Wärmeleitung ist? Dann schau doch in der entsprechenden Erklärung vorbei!
Die restliche Energie des Körperschalls wird auf der anderen Seite der Wand wieder als Luftschall weitergegeben. Wegen der Energieminderung hat die „durchgelassene“ Schallwelle allerdings eine viel tiefere Frequenz, als der durch die Schallquelle ausgesandte Schall. Dass Du es dann viel leiser hörst, liegt einerseits daran, dass die Schallintensität durch anfängliche Reflexion vermindert wurde und andererseits daran, dass das menschliche Ohr für die durchgelassene (veränderte) Frequenz nicht mehr empfindlich ist.
Deswegen hörst Du Geräusche aus angrenzenden Wohnungen auch so dumpf und leise. Dabei werden Stimmen, die von vornherein tiefer sind (z. B. von Männern oder älteren Menschen) stärker gedämpft als hohe Stimmen (z. B. von Frauen und Kindern).
Wie gut ein Baumaterial dabei Schall absorbiert, hängt von seiner Beschaffenheit ab und wird in der Bautechnik zur Dämmung verwendet. Poröse Materialien bieten etwa gute Schalldämmung. Grundsätzlich gilt: Je besser die (Schall-)Dämmung, desto schlechter kommt der Schall durch eine Wand.
Bei guter Dämmung würdest Du also kaum bis nichts von Deinen Nachbarn hören. Schlechte Dämmung wiederum macht eine Wohnung „hellhörig“.
Schall – Das Wichtigste
- Es gibt zwei Arten von Wellen: Transversalwellen und Longitudinalwellen.
- Transversalwellen: schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung
- Longitudinalwellen: schwingen parallel zu ihrer Ausbreitungsrichtung
- Schallwellen sind Longitudinalwellen, die durch Druckschwankungen in einem Medium entstehen. Sie werden im akustischen Spektrum in drei Kategorien eingeteilt:
Infraschall (Frequenzen unterhalb 20 Hertz)
Hörschall (Frequenzen von 20 bis 20000 Hertz)
Ultraschall (Frequenzen oberhalb 20000 Hertz)
Frequenzen aus dem Hörschall-Bereich kannst Du hören. Einige Tiere können sogar in den Infra- oder Ultraschallbereich hineinhören.
Im Gegensatz zu Lichtwellen benötigen Schallwellen ein Medium, um sich auszubreiten.
- Die Wellenlänge \(\lambda\) und die Frequenz \(f\) einer Schallwelle sind über die Schallgeschwindigkeit \(v\) miteinander verbunden:
- Die Schallgeschwindigkeit bestimmt, wie schnell sich die Schallwelle von ihrer Schallquelle entfernt. In Luft beträgt der Wert etwa \(v=343\;\frac{m}{s}\).
- Die Frequenz der Schallwelle beeinflusst die wahrgenommene Tonhöhe: Je höher die Schallfrequenz, desto höher klingt der Ton.
- Je nachdem, ob der Schall aus einer oder mehreren Frequenzen zusammengesetzt ist, unterscheidest Du zwischen Ton, Klang, Geräusch oder Knall.
- Schall kann an Objekten reflektiert oder von diesen absorbiert werden. Dies wird unter anderem in der Bautechnik für Dämmung ausgenutzt.
Nachweise
- stiftung-gesundheitswissen.de: Wie funktioniert Ultraschall? (31.10.2022)
- lernort-mint.de: Schall. (31.10.2022)
- hansaton.at: Wie hören Tiere? (31.10.2022)
- musiklexikon.info: Ton - Klang - Geräusch - Knall. (01.11.2022)
- baustoffwissen.de: Schallausbreitung: Hemmen oder fördern schwere Wände? (01.11.2022)
- baunetzwissen.de: Schallschutz: Anforderungen und Schallarten. (02.11.2022)
- backustic.de: Theorie. (02.11.2022)
Erklärungen 
Magazine 
