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Schall wurde als eine Reihe von Störungen in Materie definiert, die das menschliche Ohr wahrnehmen kann. Diese Definition kann auch auf Störungen angewendet werden, die außerhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs liegen. Es gibt drei Elemente, die für die Übertragung und den Empfang von Schall notwendig sind. Dies sind die Quelle, ein Trägermedium für den Schall und der Detektor. Alles, was sich hin und her bewegt oder vibriert und das Medium um sich herum stört, kann als Schallquelle betrachtet werden.
Ein Beispiel für die Erzeugung und Übertragung von Schall ist das Läuten einer Glocke. Wenn die Glocke angeschlagen wird und zu schwingen beginnt, schwingen auch die Partikel des Mediums oder der umgebenden Luft, die mit der Glocke in Kontakt stehen. Die Vibrationsstörung wird von einem Partikel des Mediums zum nächsten übertragen, und die Vibrationen wandern in einer Welle durch das Medium, bis sie das Ohr erreichen. Das als Detektor fungierende Trommelfell wird durch die vibrierenden Luftpartikel in Bewegung versetzt und das Gehirn interpretiert die Trommelfellschwingungen als den charakteristischen Klang einer Glocke.
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| Abbildung 1. Beziehung zwischen Schall und Wellen im Wasser |
In Abbildung 1 sind solche Wellen aus der Draufsicht zu sehen, wobei sich die Wellen von der Mitte aus ausbreiten. Beachten Sie in der Querschnittsperspektive in Abbildung 1, dass die Wasserwellen eine Abfolge von Kämmen und Tälern sind. Die Wellenlänge ist der Abstand vom Scheitel einer Welle zum Scheitel der nächsten. Wasserwellen werden als Transversalwellen bezeichnet, da die Bewegung der Wassermoleküle auf und ab oder im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Wellen erfolgt. Dies ist an einem Korken auf dem Wasser zu erkennen, der auf und ab hüpft, wenn die Wellen vorbeiziehen.
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| Abbildung 2. Schallausbreitung durch eine Stimmgabel |
Wenn die Zinke zurückkehrt und sich nach innen bewegt, wird die Luft vor der Zinke verdünnt, so dass ihr momentaner Druck unter den an anderen Stellen im umgebenden Medium reduziert wird. Diese Störung wird in Form einer Verdünnungs- oder Expansionswelle übertragen und folgt der Kompressionswelle durch das Medium. Der Fortgang jeder Welle beinhaltet zwei unterschiedliche Bewegungen: (1) Die Welle selbst bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit vorwärts, und (2) gleichzeitig schwingen die Teilchen des Mediums, die die Welle transportieren, harmonisch. Beispiele für harmonische Bewegungen sind die Bewegung eines Uhrenpendels, der Unruh in einer Uhr und des Kolbens in einem Hubkolbenmotor.
Schallgeschwindigkeit
In jedem gleichförmigen Medium breitet sich der Schall unter gegebenen physikalischen Bedingungen mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Bei manchen Stoffen ist die Schallgeschwindigkeit höher als bei anderen. Selbst im gleichen Medium unter verschiedenen Temperatur-, Druckbedingungen usw. ändert sich die Schallgeschwindigkeit. Dichte und Elastizität eines Mediums sind die beiden grundlegenden physikalischen Eigenschaften, die die Schallgeschwindigkeit bestimmen.
Im Allgemeinen reicht ein Dichteunterschied zwischen zwei Stoffen aus, um anzuzeigen, welches das schnellere Übertragungsmedium für Schall ist. Zum Beispiel breitet sich Schall schneller durch Wasser aus als durch Luft bei gleicher Temperatur. Es gibt jedoch einige überraschende Ausnahmen von dieser Faustregel. Ein herausragendes Beispiel unter diesen Ausnahmen ist der Vergleich der Schallgeschwindigkeit in Blei und Aluminium bei gleicher Temperatur. Schall breitet sich in Aluminium bei 20 °C mit 16.700 fps aus und in Blei bei 20 °C nur mit 4.030 fps, obwohl Blei viel dichter als Aluminium ist. Der Grund für solche Ausnahmen liegt in der oben erwähnten Tatsache, dass die Schallgeschwindigkeit sowohl von der Elastizität als auch von der Dichte abhängt.
Wenn man die Dichte als groben Anhaltspunkt für die Schallgeschwindigkeit in einer bestimmten Substanz verwendet, kann man als allgemeine Regel sagen, dass sich Schall in festen Materialien am schnellsten, in Flüssigkeiten langsamer und in Gasen am langsamsten ausbreitet. Die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 0 C (32 F) beträgt 1.087 fps und erhöht sich um 2 fps für jedes Grad Celsius Temperaturanstieg oder 1,1 fps für jedes Grad Fahrenheit.
Machzahl
Bei der Untersuchung von Flugzeugen, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen, ist es üblich, die Flugzeuggeschwindigkeit im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit zu diskutieren, die ungefähr 760 Meilen pro Stunde (mph) bei 59 F beträgt. Der Begriff Machzahl wurde dem Verhältnis gegeben von der Geschwindigkeit eines Flugzeugs auf die Schallgeschwindigkeit zu Ehren des österreichischen Wissenschaftlers Ernst Mach. Wenn die Schallgeschwindigkeit auf Meereshöhe 760 mph beträgt, würde ein Flugzeug, das mit einer Machzahl von 1,2 auf Meereshöhe fliegt, mit einer Geschwindigkeit von 760 mph 1,2 = 912 mph fliegen.
Frequenz des Tons
Der Begriff Tonhöhe wird verwendet, um die Frequenz eines Tons zu beschreiben. Der herausragende erkennbare Unterschied zwischen den Tönen, die von zwei verschiedenen Tasten auf einem Klavier erzeugt werden, ist ein Unterschied in der Tonhöhe. Die Tonhöhe eines Tons ist proportional zur Anzahl der pro Sekunde empfangenen Kompressionen und Verdünnungen, die wiederum durch die Schwingungsfrequenz der Schallquelle bestimmt wird. Ein gutes Beispiel für Frequenz ist das Geräusch, das von einem Turbofan-Triebwerk in einem Verkehrsflugzeug erzeugt wird. Die hohen Spitzengeschwindigkeiten des Lüfters an der Vorderseite des Motors erzeugen ein hochfrequentes Geräusch, und der heiße Auspuff erzeugt ein niederfrequentes Geräusch.
Lautstärke
Wenn eine Glocke läutet, breiten sich die Schallwellen in alle Richtungen aus und der Ton ist in alle Richtungen zu hören. Wenn eine Glocke leicht angeschlagen wird, sind die Schwingungen von kleiner Amplitude und der Ton ist schwach. Ein stärkerer Schlag erzeugt Vibrationen mit größerer Amplitude in der Glocke und der Ton ist lauter. Es ist ersichtlich, dass die Amplitude der Luftschwingungen größer ist, wenn die Amplitude der Schwingungen der Quelle erhöht wird. Die Lautstärke des Schalls hängt also von der Amplitude der Schwingungen der Schallwellen ab. Mit zunehmender Entfernung von der Quelle breitet sich die Energie in jeder Welle aus und der Ton wird schwächer.
Mit fortschreitender Schallwelle treten an allen Stellen im Übertragungsmedium Druckschwankungen auf. Je größer die Druckschwankungen sind, desto intensiver ist die Schallwelle. Die Intensität ist unabhängig von der Frequenz proportional zum Quadrat der Druckänderung. Somit können durch Messen von Druckänderungen die Intensitäten von Geräuschen mit unterschiedlichen Frequenzen direkt verglichen werden.
Messung der Schallintensität
Die Schallintensität wird in Dezibel gemessen, wobei ein Dezibel das Verhältnis von einem Geräusch zum anderen ist. Ein Dezibel (dB) ist die kleinste Änderung der Schallintensität, die das menschliche Ohr wahrnehmen kann. Ein leises Flüstern hätte eine Intensität von 20 dB und ein Druckluftbohrer 80 dB. Der Motor eines modernen Jetliners hätte bei Startschub eine Schallintensität von 90 dB, wenn er von jemandem gehört würde, der 150 Fuß entfernt steht. Ein Geräusch von 110 dB würde im Vergleich dazu doppelt so laut klingen wie der Motor eines Jetliners. Abbildung 3 zeigt die Schallintensität verschiedener Quellen.
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| Abbildung 3. Schallintensität aus verschiedenen Quellen |
Doppler-Effekt
Wenn Schall von einem sich bewegenden Objekt kommt, erhöht die Vorwärtsbewegung des Objekts die von vorne wahrgenommene Frequenz und verringert die von hinten wahrgenommene Frequenz. Diese Frequenzänderung ist als Doppler-Effekt bekannt und erklärt, warum der Klang eines Flugzeugs beim Anflug anders erscheint als beim Überfliegen. Wenn es sich nähert, wird es sowohl lauter als auch höher. Beim Wegfliegen nehmen Lautstärke und Tonhöhe merklich ab. Wenn ein Flugzeug mit oder über Schallgeschwindigkeit fliegt, kann sich die Schallenergie nicht vor dem Flugzeug ausbreiten, da das Flugzeug es in dem Moment einholt, in dem es versucht zu starten. Die vom Flugzeug erzeugte Schallenergie staut sich auf und haftet an der Struktur des Flugzeugs. Wenn sich das Flugzeug nähert, kann eine am Boden stehende Person es nicht hören, bis es ihre Position passiert hat, da die Schallenergie tatsächlich hinter dem Flugzeug nachzieht. Wenn das Geräusch des Flugzeugs zu hören ist, hat es die Form eines sogenannten Überschallknalls.
Resonanz
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