Einführung

„Stört der Lärm der Autobahn durch den Wald die Rehe?“, fragt sich der Umweltbeauftragte.
„Wie klappt es, dass die Bremsen beim Zug nicht so quietschen?“, fragt sich der Materialwissenschaftler.
„Wie müssen Mikrophon und Lautsprecher am Smartphone installiert werden, damit jeder jeden versteht?“, fragt sich der Ingenieur.
Alle diese Fragen beschäftigen sich mit verschiedenen Aspekten der Akustik. Akustik ist die Lehre von Schall, seiner Entstehung und Ausbreitung. Außerdem geht es darum, wie Schall Mensch und Tier beeinflusst, wie man ihn steuern und analysieren kann. Der Hörbereich des Menschen liegt zwischen 20 und 20.000 Hz. Die Wahrnehmung dieses Bereichs und die Spannbreite ist bei jedem Menschen unterschiedlich. Auch das Empfinden von „laut“ und „leise“ ist individuell. Unterhalb unseres Hörbereichs, also unter 20 Hz, liegt der Infraschallbereich (16 - 20 Hz). Elefanten oder Blauwale kommunizieren in diesem Bereich, auch Windkraftanlagen gelten als Verursacher solcher Wellen. Über 20.000 Hz beginnt der Ultraschallbereich. Anwendungen findet dieser Bereich zum Beispiel in der Meeresbodenuntersuchung.

Begriffe

Zu allererst die Definition von Schall. Schall ist die Bewegung von Schwingungen durch ein Medium. Hierbei ist eine Schwingung die periodische, das heißt wiederholende, Hin- und Herbewegung eines Körpers oder Teilchens um seine Ruhelage. Als Medium gilt hier Luft oder Wasser, aber auch Glas, Stein und Metalle können Schall leiten. Geleitet wird Schall mit der sogenannten Schallgeschwindigkeit. Diese Größe ist von der Dichte des Mediums abhängig und damit von der Temperatur. Die Schallgeschwindigkeit c in Luft solltest Du kennen. Sie beträgt bei 20 °C 340 . Damit ist sie sehr viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ( m/s bei 20°C). Nun weißt Du auch, wieso Du bei einem Gewitter den Blitz viel eher siehst als, dass Du den Donner hörst. Mit den Begriffen Schallerreger, Schallüberträger und Schallempfänger kannst Du klar beschreiben, was das Geräusch verursacht, wodurch es weiter geleitet wird und wer oder was es „empfängt“. Schallerreger ist eigentlich alles was Krach macht. Dinge wie eine Gitarre, ein Radio, ein Sänger oder auch ein Motor. Schallüberträger ist das Medium durch welches das Geräusch wandert. Beispiele sind Luft oder Wasser. Im Vakuum, wie im Weltraum, gibt es keine Moleküle, die das Geräusch weitertragen können. Deswegen ist es im Weltraum total still. Zum dritten Begriff kommend: Dein Ohr oder auch ein Mikrophon sind Schallempfänger. Die Frequenz, dargestellt mit einem f, ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde.
Die Einheit der Frequenz ist Hertz und wird mit Hz abgekürzt.
n = Anzahl der Perioden
t = Zeit An Hand eines Fadenpendels kannst Du Dir den Begriff der Periode und der Periodendauer vorstellen. Lenkst Du ein Pendel aus und lässt es los, schwingt es durch die Mitte zur anderen Seite und kommt wieder an den Punkt zurück, an dem Du es losgelassen hast. Ist das Pendel wieder am Ausgangspunkt angekommen, ist eine Periode verstrichen. Die Zeit, die das Pendel für eine Periode benötigt, wird Periodendauer genannt. Dabei ist die Frequenz immer der Kehrwert der Periodendauer T. In der Akustik zeichnest Du die Schwingungen nicht in Form eines Fadenpendels sondern waagrecht an einer Geraden entlang. Abbildung 1 gibt Dir ein Beispiel und zeigt auch die Begriffe Nulldurchgang sowie negative und positive Auslenkung. Die Wellenlänge , in Abbildung 2 in grün dargestellt, ist immer die Zeit zwischen zwei Punkten einer Schwingung in der selben Phase. Sie gibt die Tonlage an. Große Wellenlängen hörst Du als tiefe Töne im niedrigen Hertzbereich. Hohe Töne haben eine kleine Wellenlänge. Die Wellenlänge berechnet sich aus dem Quotient der Schallgeschwindigkeit c und der Frequenz f. Ob Du Töne „laut“ oder „leise“ hörst, hängt von der Amplitude ab. Dies ist die maximale Auslenkung des schwingenden Teilchens. Auch wieder gut am Beispiel des Fadenpendels vorstellbar. Je größer die Auslenkung, desto lauter der Ton und anders herum.
Messen kannst Du die Amplitude nicht. Stattdessen wird der Schalldruck bestimmt. Dieser wird in Pascal (Pa) angegeben. Er entspricht nicht der Lautstärke. Diese ist eine relative Größe und wird von jedem von uns anders wahrgenommen. Die Phasendifferenz beschreibt den Unterschied mit welchem zwei Sinusschwingungen mit selber Periodendauer verschoben sind. In Abbildung 2 kannst Du Dir das mal anschauen. Im Abschnitt Resonanz findest Du ein Beispiel dafür, wann der Phasenunterschied zu berücksichtigen ist.

Ausbreitung von Schall

Wie Du schon gelesen hast, kann sich Schall in den verschiedensten Medien ausbreiten. Dabei führt ein Teilchen nach dem anderen die selbe Bewegung aus. Je weiter weg vom Schallerreger, desto später wird das Teilchen erfasst und desto später führt es die Bewegung aus. Wichtig ist, dass in der Akustik immer nur Energie, nie Materie, transportiert wird.
Bei allen Medien breitet sich Schall kugelförmig aus. Da dies aber ab einer gewissen Entfernung egal ist, kannst Du Dir Schallwellen als ebene Wellenfront vorstellen. Es gibt aber einen Unterschied zwischen Schallwellen in verschiedenen Medien. Mit dem Vergleich zwischen der Ausbreitung von Schall in Luft und in Wasser, lernst Du auch gleich zwei Arten von Wellen kennen.
Schall breitet sich in Wasser in Form einer Transversalwelle aus. Bei einer Transversalwelle bewegen sich die Teilchen des Mediums immer quer zur Ausbreitungsrichtung. Damit hast Du auch die Erklärung warum sich die Quietscheente in der Badewanne auf dem Wasser immer nur hoch und runter, aber nicht vorwärts, bewegt.
In Luft bewegen sich die Teilchen, die den Schall weitertragen, längs zur Ausbreitungsrichtung des Geräusches. Diese Art der Welle nennt man Longitudinalwelle.

stehende Welle

Eine stehende Welle hat an immer der gleichen Stelle ihren Nulldurchgang (Abb. 2) und ihre maximale Amplitude. Du definierst sie als Überlagerung zweier oder mehrerer gegenläufiger Wellen mit gleicher Frequenz und gleicher Amplitude. Sind beide Enden der Welle am Schallerreger fixiert, wie zum Beispiel an einer Gitarre, können sich stehenede Wellen nur mit ihrer Eigenfrequenz ausbilden.
Solltest Du einmal die Abstände der Schwingungsbäuche berechnen wollen oder müssen, verwendest Du die hier aufgeführte, obere Gleichung. Zur Berechnung des Abstands der Nulldurchgänge wendest die untere Gleichung an.
d = Abstand
n = Anzahl
= Wellenlänge

Schwebung

Schwebung ist ein weiteres Phänomen in der Akustik. Dieses ergibt sich aus zwei Sinusschwingungen welche mit ungleicher Frequenz schwingen. Deswegen sind es keine harmonische Schwingungen und haben eine wechselnde Amplitude.
Das arithmetische Mittel der Ausgangsfrequenzen berechnest Du durch die Amplitude der Schwebungsfrequenz mit wobei in der Regel f_res >> f_s.
Auch merken kannst Du Dir, dass je näher die Ausgangsfrequenzen beieinander liegen, desto geringer ist die Schwebungsfrequenz.

Resonanz

Hast Du schon einmal davon gehört, dass eine Gruppe von im Gleichschritt marschierender Soldaten eine Brücke zum Einsturz bringen können? Oder von dem Resonanzboden bei Streichinstrumenten?
Dann kennst Du Beispiele von Resonanz. Oft ist Resonanz erwünscht, wie im Fall der Geige oder des Kontrabasses. Resonanz kann aber auch zu Zerstörung von beispielsweise Brücken führen, weil die Schwingungen zu stark wurden und die Federungskonstruktionen der Brücke nicht mehr ausgereicht haben.
Erzeugen kannst Du Resonanz, indem die Erregerschwingung exakt mit der Eigenfrequenz des Schwingungssystems übereinstimmt und zusätzlich eine Phasendifferenz von 90 Grad gegeben ist.

Dopplereffekt

Verändert sich der Abstand zwischen Schallerreger und Schallempfänger kommt es zu einer Stauchung oder Dehnung des Geräusches. Diese Veränderung des Tons wird Dopplereffekt genannt.
Erstmals beschrieben wurde er 1842 von Christian Doppler, bezogen auf die Farbveränderung bei Doppelsternbeobachtung in der Astronomie. Der Effekt tritt aber bei allen Signalen auf, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, wie zum Beispiel Schallgeschwindigkeit, ausbreiten.

In Abbildung 4 sind zwei verschiedene Szenarien des Dopplereffekts aufgezeichnet.

1. Der Beobachter ist in Ruhe, die Quelle bewegt sich (relativ zum Medium Luft).
2. Der Beobachter bewegt sich und die Quelle nicht (relativ zum Medium Luft).

Im Fall 1 ändert sich die Wellenlänge. Bewegt sich die Schallquelle auf den Beobachter zu, verkürzt sich die Wellenlänge. Der Ton wird höher. Entfernt sich die Quelle wieder, wird der Ton tiefer, da die Wellenlänge länger wird. Hierfür kannst Du Dir einen Krankenwagen oder ein anderes Fahrzeug mit Sirene vorstellen. Und wenn das nächste Mal eines an Dir vorbeifährt, kannst Du selbst erleben, dass der Ton beim Näherkommen hoch ist, beim Entfernen tiefer.
Im zweiten Fall, (der Beobachter bewegt sich, die Quelle ruht), ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit c relativ zum Empfänger. Die Wellenlänge bleibt konstant. Wie Du der Abbilung 4 entnehmen kannst, sind in diesem Fall die Veränderungen von f‘ über linear. Bei Annährung steigend, bei zunehmender Entferung abnehmend. Die allgemein gültige Formel, welche den Dopplereffekt beschreibt lautet: v_B = Geschwindigkeit des Beobachters
v_S = Geschwindigkeit der Schallquelle