Jeden Tag hören wir Geräusche, die von verschiedenen Quellen stammen: von menschlichen Quellen, von Fahrzeugen, von Musikinstrumenten und vom Fernsehen. Wie die anderen Energieformen (mechanisch, thermisch, Licht etc.) kann auch die Schallenergie weder geschaffen, noch zerstört werden. Diese Feststellung bezieht sich auf den Grundsatz der Energieerhaltung, der vom us-amerikanischen Physiker Feynman formuliert worden ist. Wie Feynman feststellt, können wir nämlich nur ihre Form ändern, die Energie aber ist immer vorhanden.
Was ist die Schallausbreitung?
Der Schall wird von den Schwingungen der Objekte hervorgerufen. Das Objekt oder der Stoff, über das oder den sich der Schall ausbreitet, wird als Medium definiert und kann fest, flüssig oder gasförmig sein.
Die Schallwellen bewegen sich von ihrem Ausgangspunkt (Quelle) in die Richtung des Zuhörers..
Wenn ein Objekt schwingt, überträgt es diese Schwingungen auf die in der Nähe befindlichen Teilchen des Mediums. Seine eigenen Schwingungen gelangen nicht von der Quelle zum Ohr. Jedes Teilchen des in der Nähe der Quelle befindlichen Mediums wird aus seiner Gleichgewichtsposition “verschoben” und bewegt. Dieses Teilchen seinerseits überträgt die Energie auf die nahegelegenen Teilchen und ermöglicht dadurch die Verbreitung des Schalls. Die Teilchen des Mediums bewegen sich nicht alleine vorwärts: die Ausbreitung des Schalls kann vielmehr als eine Wellenbewegung beschrieben werden, die durch die Schallwelle hervorgebracht wird.
Luft ist sicherlich das gängigste Ausbreitungsmedium; wenn ein Objekt schwingt, drückt es auf die angrenzende Luft und komprimiert diese. Der komprimierte Bereich beginnt, sich von der Quelle zu entfernen. Wenn Letztere “nachlässt“ und in ihren Gleichgewichtszustand zurückkehrt, entsteht ein Bereich mit geringem Druck, der als Refraktion definiert wird. Diese Wechselbewegung wiederholt sich viele Male und erzeugt in der Luft diverse Kompressions- und Refraktionsbereiche. Der Wechsel dieser Bereiche gestattet es der Schallwelle, sich über das Medium auszubreiten. In den Zonen des Mediums mit hohem und geringem Druck herrscht eine bestimmte Dichte der in einem bestimmten Volumen befindlichen Teilchen. Je mehr Teilchen vorhanden sind, desto höher ist der Druck. Es kann somit festgestellt werden, dass die Ausbreitung des Schalls durch die Druckänderung im Innern des Mediums zustande kommt.
Für die Ausbreitung des Schalls ist ein Medium erforderlich
Da es sich um eine mechanische Welle handelt, benötigt der Schall ein physikalisches Medium (Wasser, Luft, Metall etc.) um übertragen zu werden. Er kann sich nämlich nicht im Vakuum bewegen, wie sich durch ein einfaches Beispiel zeigen lässt.
Wenn eine normale Klingel in eine luftdicht verschlossene Glasglocke gelegt wird, welche an eine Vakuumpumpe angeschlossen wird, kann man beobachten, wie bei allmählich abnehmender Luftmenge der Ton der Klingel immer schwächer wird, bis er nicht mehr zu hören ist, wenn nämlich alle Luft aus dem Gefäß abgesaugt worden ist.
Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit
Der Schall breitet sich mit einer konstanten Geschwindigkeit über ein bestimmtes Medium aus. Bei einem Gewitter hört man den Donner einige Augenblicke, nachdem man den Blitz gesehen hat: der Schall bewegt sich langsamer als das Licht. Seine Geschwindigkeit hängt eng von den physikalischen Eigenschaften des Mediums ab, über das er sich ausbreitet. Dabei gibt es zwei Hauptaspekte:
- Die Geschwindigkeit des Schalls ist eng mit der Temperatur des Mediums korreliert. Je höher die Temperatur, desto schneller ist der Schall. So beträgt seine Geschwindigkeit in der Luft 331m/s bei 0°C und 344 m/s bei einer Lufttemperatur von 22°C.
- Die Geschwindigkeit des Schalls nimmt ab, wenn er von einem festen auf ein gasförmiges Medium übergeht.
Die beiden Annahmen können leicht in der nachstehenden Tabelle gezeigt werden, in der die verschiedenen Geschwindigkeiten des Schalls für das jeweilige Medium und dessen Temperatur aufgeführt sind.
Schallgeschwindigkeit in diversen Medien bei 25 ºC |
||
| Zustand | Stoff | Geschwindigkeit in m/s |
| Fest | Aluminium 6420 | 6420 |
| Nickel | 6040 | |
| Stahl | 5960 | |
| Eisen | 5950 | |
| Messing | 4700 | |
| Glas | 3980 | |
| Flüssig | Wasser (Meer) | 1530 |
| Wasser (Destilliert) | 1498 | |
| Ethanol | 1207 | |
| Methanol | 1103 | |
| Gasförmig | Wasserstoff | 1284 |
| Helium | 965 | |
| Luft | 346 | |
| Sauerstoff | 316 | |
| Schwefeldioxid | 213 | |
Der Überschallknall
Wenn die Geschwindigkeit eines beliebigen Objektes die Geschwindigkeit des Schalls überschreitet, so sagt man, dass es sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Was bedeutet das genau?
Objekte wie Projektile und Flugzeuge bewegen sich häufig mit Überschallgeschwindigkeit. Wenn sich eine Quelle mit einer größeren Geschwindigkeit bewegt als der Geschwindigkeit des von der Quelle ausgehenden Schalls, erzeugt sie Stoßwellen in der Luft, die eine große Energiemenge transportieren. Die Änderung des Luftdrucks, die mit dieser Art von Stoßwellen einhergeht, bringt ein sehr starkes und lautes Geräusch hervor, das als “Überschallknall” bezeichnet wird. Diese Energie ist so stark, dass beispielsweise die von einem Überschallflugzeug erzeugte Energie genug Leistung hat, Glas zu zertrümmern und sogar Gebäude zu beschädigen.
Fassen wir noch einmal zusammen
- Der Schall wird von schwingenden Objekten erzeugt.
- Der Schall bewegt sich längs eines physikalischen Mediums.
- Der Schall verbreitet sich durch Kompressionen und Refraktionen im Medium.
- Die Ausbreitung des Schalls besteht in der Übertragung akustischer Energie von einem Teilchen zum anderen (es handelt sich nämlich nicht um die Bewegung von Teilchen, sondern um eine Übertragung von Energie von einem Teilchen zum anderen).
- Der Schall kann sich nicht im Vakuum bewegen.
- Die Geschwindigkeit des Schalls hängt in erster Linie von der Art, der Temperatur und dem Zustand des Mediums ab, über das er sich ausbreitet.