Schall: Grundlage der Raumakustik

Die Lehre vom Schall: Was ist Schall?

Schall bezeichnet alle mechanischen Schwingungen und Wellen in einem bestimmten Medium (Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe) und Frequenzbereich. Die einzelnen Schwingungen breiten sich in Form von Wellen in verschiedenen Räumen aus. Man unterscheidet zwischen den folgenden vier Schallarten:

• Töne sind harmonische und sinusförmige Schwingungen. Sie lassen sich nach ihrer Frequenz d.h. Tonhöhe in eine bestimmte Reihenfolge bringen. So besteht z. B. eine Tonleiter aus insgesamt acht Tönen (Oktave). Einzelne Töne lassen sich beispielsweise mit einer Stimmgabel erzeugen.
  
  
• Klänge sind periodische Schwingungen, die sich aus mehreren Einzeltönen zusammensetzen. Die Schwingungen entstehen aufgrund von Überlagerungen verschiedener Frequenzen. Beim Spielen eines Musikinstruments entstehen verschiedene Klänge.
  
  
• Geräusche sind unregelmässige Schwingungen, die sich ebenfalls durch einzelne Töne auszeichnen. Allerdings handelt es sich bei Geräuschen viel mehr um chaotische und weniger um periodische Schwingungen. Sie entstehen u. a. beim Betreiben von Maschinen.
  
  
• Knalle sind Schwingungen mit einer grossen Amplitude, die schnell wieder abklingen. Auch bei einem Knall ergeben sich unregelmässige Schwingungsmuster. Im Gegensatz zu Geräuschen nimmt die Lautstärke eines Knalls jedoch sehr rasch ab. Ein typisches Beispiel für einen Knall ist das Explodieren eines Feuerwerkkörpers.

Welche Schallwellen werden (nicht) wahrgenommen?

Töne, Klänge, Geräusche und Knalle sind also akustische Signale, die Menschen und Tiere mit ihren Ohren hören können. Allerdings kann das menschliche Gehör die einzelnen Schallarten nur in einem Frequenzbereich zwischen 16 Hertz (Hz) und 20.000 Hertz wahrnehmen. Zudem muss die Lautstärke des Schalls…

• …über der Hörschwelle (jene Lautstärke, die gerade noch hörbar ist)
• …und unter der Schmerzschwelle (jener Punkt, ab dem Hörereignisse für die Ohren schmerzhaft sind)

liegen. Nur so kann das menschliche Gehör das jeweilige akustisches Signal hören. Mit zunehmendem Lebensalter sinkt die Wahrnehmungsfähigkeit von höheren Frequenzen. Somit können Kinder höhere Töne wesentlich besser hören als z. B. ihre Grosseltern. Ausserdem orientieren sich manche Tierarten in Frequenzbereichen, die für menschliche Ohren nicht hörbar sind. So kommunizieren z. B. Fledermäuse mit sehr hohen Frequenzen (Ultraschall) ab einem Wert von 20 Kilohertz (kHz).

Wie entsteht Schall?

Schall wird durch mechanische Schwingungen eines Körpers hervorgerufen. So können beispielsweise klingende Gitarrensaiten oder die schwingende Membran eines Tamburins die Umgebungsluft in Bewegung setzen.

Die Luftmassen werden dabei so zusammengedrückt, dass sie sich auf einer Stelle verdichten. Weil Luft aber elastisch ist, dehnt sie sich danach wieder aus und verursacht eine Verdichtung an einem benachbarten Punkt. Die schwingenden Luftteilchen bilden also sowohl Bereiche mit grösserem- als auch kleinerem Druck. Schallwellen sind somit starke Druckschwankungen, die sich in einem bestimmten Medium ausbreiten.

Schallausbreitung: Eigenschaften von Schallwellen

Schallwellen können sich in allen drei Aggregatzuständen d.h. in gasförmigen, flüssigen und festen Stoffen ausbreiten. Bei ihrer Fortpflanzung treffen sie auf verschiedene Medien, wodurch sie reflektiert, gebrochen oder absorbiert werden können. Wenn Schallwellen…

• …reflektiert werden, werden sie – nach dem Auftreffen auf eine Oberfläche – wieder an den Raum zurückgeworfen. Je nach Oberflächenbeschaffenheit kann der Anteil der Schallreflexion klein oder gross sein. So werden Schallwellen von z. B. Glasflächen wesentlich stärker reflektiert als von porösen d.h. durchlässigen Materialien.
  
  
• …gebrochen werden, treten sie von einem Stoff auf einen anderen über (z. B. von Luft auf Wasser). Dadurch ändert sich ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit.
  
  
• …absorbiert werden, werden sie vom jeweiligen Material verschluckt. Das bedeutet, dass sie kaum bis gar nicht an den Raum zurückgegeben werden. Somit ist die Absorption das Gegenteil der Reflexion. Hier verlieren Töne, Klänge und Geräusche automatisch ihre Intensität. Der Nachhall, der normalerweise bei der Reflexion entsteht, kann hier also wesentlich verringert werden.

Die einzelnen Wellen zeichnen sich durch charakteristische Eigenschaften aus. Somit breiten sie sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit), Anzahl an Schwingungen pro Sekunde (Frequenz) sowie Länge (Wellenlänge) in einem Medium aus.

Schallgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwellen im Raum fortpflanzen, wird als Schall- oder Ausbreitungsgeschwindigkeit bezeichnet. Wie langsam oder schnell sie sich bewegen, ist immer vom jeweiligen Medium abhängig. So ist die Geschwindigkeit in Gasen am kleinsten, wohingegen sie in Festkörpern am grössten ist.

Schallgeschwindigkeit in der Luft

In der Luft ist die kräftemässige Kopplung zwischen den einzelnen Luftteilchen verhältnismässig gering. Deshalb bewegen sich die einzelnen Wellen nur mit einer niedrigen Geschwindigkeit. Zudem ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Lufttemperatur abhängig: In kalter Luft pflanzt sich Schall langsamer als in warmer Luft fort.

Schallgeschwindigkeit im Wasser

Unter Wasser breitet sich Schall wesentlich schneller als in der Luft aus. Das hängt damit zusammen, dass Wasser eine höhere Dichte aufweist. Zur Veranschaulichung liegt die durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit im Meer bei etwa 1.500 Metern pro Sekunde (m/s), was fünfmal so hoch wie in der Luft ist. Die nachfolgende Tabelle stellt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in Luft und Wasser gegenüber.

Medium bei 20°C	Schallgeschwindigkeit in m/s
Luft	344
Wasser	1483

Frequenz und Wellenlänge

Schallwellen zeichnen sich nicht nur durch eine bestimmte Geschwindigkeit aus. Sie können auch mit den beiden physikalischen Kenngrössen Frequenz und Wellenlänge beschrieben werden. Die Frequenz d.h. die Schwingungsanzahl pro Sekunde bestimmt, ob die einzelnen Töne als hoch oder tief wahrgenommen werden.

Dabei gilt: Je höher die Frequenz, desto höher ist der erzeugte Ton. Je weniger Schwingungen pro Sekunde, desto tiefer ist auch die Tonlage.

 
Die Wellenlänge der Schallwellen steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Frequenz. Eine hohe Frequenz bedeutet eine kurze Wellenlänge, wohingegen eine niedrige Frequenz eine längere Wellenlänge mit sich bringt.

Schallpegel reduzieren: Was schluckt Schall?

Bestimmt hat sich jeder schon einmal reflexartig die Ohren zugehalten. Da spielt es keine Rolle, ob lauter Baustellenlärm direkt vor der Haustüre oder ohrenbetäubende Schlagzeugmusik aus der Dachgeschosswohnung der Grund dafür ist. Ein hoher Schallpegel ist kaum auszuhalten und kann zu einem akuten Akustikproblem werden. Das ist ganz besonders dann der Fall, wenn man sich eigentlich Ruhe und Entspannung wünscht.

Die Raumakustik kennt viele Wege, wie sich ein hoher Nachhall verringern lässt. Mit praktischen Schallabsorbern aus speziellen Materialien können Schallwellen effektiv aufgenommen werden. So wird die Sprachverständlichkeit verbessert und die lang ersehnte Ruhe kann Einzug halten.

Die tägliche Geräuschkulisse gelangt über Schallwellen zum Ohr. Das menschliche Gehör ist somit ständig einer grossen Belastung ausgesetzt. Damit der Schall nicht zum ohrenbetäubenden Hörerlebnis in Wohnräumen und am Arbeitsplatz wird, gibt es viele raumakustische Lösungen. So kann man seine To-do-Liste konzentriert abarbeiten und nachher die Seele baumeln lassen!

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