Schallempfang und Lärm

Schallwellen

Sie sind nicht nur wichtig für uns, auch viele Tiere kommunizieren mithilfe von Schallwellen. Doch was sind Schallwellen eigentlich und was haben sie mit Wasserwellen gemeinsam? Dies und vieles mehr soll im Folgenden genauer diskutiert werden.

Was sind Schallwellen?

Beginnen wir mit der Frage, was eigentlich Schallwellen sind.

In der Physik wird eine Schallwelle per Definition als eine mechanische Schwingung bezeichnet, die sich in einem elastischen (verformbaren) Medium (z. B. Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern) ausbreitet. Doch was bedeutet das nun genau?

Den Schall, den wir jeden Tag wahrnehmen und über den wir uns unterhalten, findet im elastischen Medium Luft statt. Sprechen wir, so regen unsere Stimmbänder die Luft in ihrer Umgebung an, auf eine bestimmte Art und Weise zu schwingen. Die von unseren Stimmbändern angeregten Luftmoleküle regen wiederum ihre Nachbarmoleküle dazu an, ebenfalls zu schwingen. So verbreitet sich die Schwingung durch die Luft, bis sie schließlich an das Ohr des Empfängers gelangt. Dort angekommen überträgt die Luft ihre Schwingung an das Trommelfell im Ohr. Da wir dazu in der Lage sind, die Schwingung des Trommelfells in ein Signal für unser Gehirn umzuwandeln, können wir diese Schwingung hören.

Wir können jedoch nicht alle beliebigen Schallwellen hören. Dies liegt daran, dass wir, wie beim Licht, nur einen bestimmten Bereich an Wellenlängen bzw. Frequenzen wahrnehmen können. Bei Schallwellen liegt der für Menschen hörbare Bereich bei Frequenzen von ca. $\pu{20 Hz}$ bis $\pu{20 kHz}$. Tiere wie z. B. Wale oder Giraffen können aber auch Schall anderer Frequenzen aussenden und wahrnehmen.

Eigenschaften von Schallwellen

Eine wichtige Eigenschaft bei der Ausbreitung von Schallwellen ist vor allem, dass sie die Luftmoleküle im Mittel von ihrer Ruheposition, im Gegensatz zum Wind, nicht fortbewegen. Dies kannst du auch bei Wasserwellen beobachten. Befindest du dich nicht zu dicht an einem flachen Ufer, so kannst du zum Beispiel ein Blatt auf das Wasser legen. Erzeugst du nun Wellen, so wird sich das Blatt zwar hin- und herbewegen, aber im Mittel, wie auch die umgebenden Wassermoleküle, auf seiner Position bleiben.

Doch was bewegt sich dann durch den Raum? Bei einer Welle bewegt sich lediglich die Energie der Schwingung durch den Raum. Im Fall von Schallwellen in Luft geschieht dies durch Druck- bzw. Dichteschwankungen. Das heißt, dass die Luftmoleküle mal stärker zusammengedrückt und mal stärker auseinandergezogen werden. Das kannst du dir wie bei einer Schwingung einer Spiralfeder vorstellen. Regst du die Feder an einem Ende zu einer Schwingung an, so kannst du erkennen, dass die Feder an manchen Stellen zusammengedrückt wird, während sie gleichzeitig an anderen Stellen auseinandergezogen wird.

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwelle durch den Raum bewegt, hängt von den Eigenschaften des Mediums ab, in dem sich die Welle ausbreitet. Breitet sich eine Schallwelle in Luft bei Raumtemperatur zum Beispiel mit einer Geschwindigkeit von ca. $\pu{343 \frac{m}{s}}$ aus, so erreicht sie bei gleicher Temperatur in Wasser eine Geschwindigkeit von $\pu{1 484 \frac{m}{s}}$.

Dezibelskala

Nun haben wir geklärt, wie sich Schall ausbreitet und welche Frequenzen wir hören können, doch was unterscheidet jetzt ein einfaches Geräusch von Lärm? Die Antwort darauf bietet die Lautstärke, also die Stärke der Schwingung. Die Einheit für die Lautstärke wird als Dezibel ($\pu{dB}$) bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine logarithmische Skala. So führt jede Erhöhung der Lautstärke um ca. $\pu{6 dB}$ zu einer Verdoppelung des Schalldrucks, der von der Schwingung ausgeht. Also sind $\pu{12 dB}$, verglichen mit $\pu{6 dB}$, doppelt so laut, aber auch $\pu{86 dB}$ sind doppelt so laut wie $\pu{80 dB}$. Zum Vergleich: Ein normales Gespräch liegt bei einer Lautstärke von rund $\pu{50 dB}$, während ein startendes Flugzeug einen Wert von ca. $\pu{150 dB}$ erreicht. Ab Lautstärken über $\pu{90 dB}$ ist es sogar möglich, dass langfristige Schäden im Ohr auftreten, die mit der Zeit zur Schwerhörigkeit führen. Bei Lautstärken über $\pu{130 dB}$ können im Ohr sogar akute Schmerzen auftreten. Also pass ruhig ein wenig auf deine Ohren auf.

Zusammenfassung – Schallwellen

In diesem Video hast du gelernt, wie Schallwellen entstehen, und erklärt bekommen, wie du in einem einfachen Experiment die Bewegung der Moleküle bei Schallwellen im Wasser sichtbar machen kannst. Des Weiteren kennst du nun die Dezibelskala und kannst eine Erhöhung auf der Skala richtig deuten.