Schall

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Schaller

Schall (von althochdeutsch scal) bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, den Knall (Schallarten), wie er von Menschen und auch von Tieren vernommen werden kann. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Man unterscheidet den Nutzschall, wie Musik oder die Stimme beim Gespräch, und den Störschall, wie Baustellen- oder Verkehrslärm.

Physikalische Definition

Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also auch im wichtigsten Medium, in Luft. In Festkörpern gibt es auch Transversalwellen. Sie bewegen Mediumteilchen (meistens Luft) um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit c aus. Dabei transportieren sie Schallenergie. Im Vakuum ist Schall nicht ausbreitungsfähig.

Die Schallgeschwindigkeit hängt u.a. vom Ausbreitungsmedium ab. In Luft beträgt sie 344 m/s bei einer Temperatur von 20° C und 1407 m/s in Wasser bei einer Temperatur von 0° C; siehe: Schallwellen (Ozean)). Die Schallwellenlänge $\lambda$ kann mit der Frequenz f und der Schallgeschwindigkeit c über folgende Beziehung berechnet werden:

\lambda = \frac{c}{f}.

Meistens sind bei Schallwellen die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen. Das wird anschaulich, wenn man Schalldruckpegel von 130 dB (Dezibel), das ist etwa die Schmerzschwelle des Menschen, mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal (= 1013,25 Hektopascal), während ein Schalldruckpegel von 130 dB einem Effektivwert des Schalldrucks p von gerade einmal 63 Pascal entspricht.

Akustik

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

Schalldruck p in 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 (siehe auch Druckwelle). Dieses hat verschiedene Gründe: Der Schalldruck ist eine anschauliche Größe, mit Mikrofonen relativ leicht messbar und auch vom Menschen physiologisch erfassbar. Die Schallfeldgröße Schallschnelle v ist ein Vektor, wobei bei Einwirkung von Schall die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von den Fluidelementen (Luftteilchen) gemeint ist. Der Begriff Geschwindigkeit wird hier zur deutlichen Abgrenzung zur Schallgeschwindigkeit c allerdings vermieden. Die Schnelle ist nicht so leicht bestimmbar. Man muss sich hierbei klar werden, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei der Auslenkung der Fluidelemente klein im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit sind: Bei einem Schalldruckpegel von 130 dB, der Schmerzschwelle, beträgt die Schnelleamplitude in Luft gerade einmal 0,153 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen von 0 dB hat die Schnelleamplitude einen Wert von 5 · 10^-8 m/s. Hierbei werden die Luftpartikel nur ganz gering ausgelenkt.

Einteilung nach Frequenz

Entsprechend dem Frequenzbereich unterscheidet man:

Infraschall < 16 Hz ist für Menschen nicht hörbar, da zu tieffrequent
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 hochfrequent
Hyperschall > 1 GHz sind nur noch bedingt ausbreitungsfähige Wellen

Je älter ein Mensch wird, desto geringer wird die Hörempfindlichkeit für hohe Frequenzen (Abnahme der wahrnehmungsfähigen Bandbreite).

Reduzierung von Störschall (Lärm)

Bei der Lärmbekämpfung wird zwischen direkt erzeugtem und indirekt erzeugtem Luftschall unterschieden. Direkt erzeugter Luftschall entsteht ohne die Beteiligung von Körperschall; z.B. in einem Strahltriebwerk. Beim indirekt erzeugten Luftschall wird durch eine Kraftanregung zunächst Körperschall in einer Struktur erzeugt. Dieser pflanzt sich in der Struktur fort. Durch Vibrationen an der Oberfläche der Struktur wird dann Luftschall abgestrahlt.

Beim direkt erzeugten Luftschall muss zur Geräuschabsenkung die Verwirbelung der Luft gering gehalten werden. Besonders ist darauf zu achten, dass Bauteile nicht von verwirbelter Strömung beaufschlagt werden; siehe Aeroakustik. Beim indirekt erzeugten Luftschall kann an verschiedenen Punkten angesetzt werden. Zunächst kann der Kraftverlauf so beeinflusst werden, dass er möglichst wenige Eigenfrequenzen des Bauteils anregt. Dieses ist immer dann der Fall, wenn keine steilen Kraftsprünge oder Kraftspitzen vorhanden sind. Weiterhin kann die Eingangsimpedanz des Bauteils erhöht werden, z. B. durch erhöhte Masse an der Krafteinleitungsstelle. Schließlich kann die Struktur selbst bedämpft werden, z. B. durch Entdröhnung mit Schwermatten oder Sandwichbleche.

Beispiele für die Anwendung primärer und sekundärer Mechanismen sind:

Lärmschutzwand
verkehrsberuhigte Bereiche
Geschwindigkeitsbegrenzungen
Gehörschutz ("Ohrstöpsel")
Schallschutzfenster
Schallkompensation
lüfterloses Design von Computern
Spindel-loses Design von Computern (also ohne klassische Festplatte, vielleicht mit Flash-Speicher)
Flüssigkeitslager (statt Kugellager)
Umwendelung von Fahrzeugantennen zur Vermeidung von Pfeiftönen (Kármánsche Wirbelstraße)
Schalldämpfer
Straßenbeläge aus Drainasphalt

Siehe auch

Schallwellen (Ozean) > Schallwelle

Literatur

Breuer, Hans: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. München: dtv-Verlag, 1996, ISBN 3-423-03226-X
Kuttruff, Heinrich: Akustik. Stuttgart: Hirzel, 2004, ISBN 3-777-61244-8

Weblinks

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