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Schall



Schall (von althochdeutsch scal) bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, wie er vom Menschen vernommen wird. Schall stellt die Schallfeld-Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichtestörungen in einem Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Wir unterscheiden den Nutzschall, wie ein Streichqartett oder ein Sinfonieorchester zur Erbauung und Störschall, wie ein Presslufthammer oder der Verkehrslärm als großes Ärgernis.

Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. In Gasen und in Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also auch im wichtigsten Medium, in Luft. In Festkörpern gibt es auch Transversalwellen. Schallwellen transportieren Energie und Informationen. Sie bewegen Fluidteilchen um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit aus. Diese beträgt bei 343 m/s in Luft von 20°C und 1407 m/s in Wasser von 0°C. Weiterhin ist Schall dadurch definiert, dass die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen sind. Das wird dadurch anschaulich, wenn man den Schalldruck bei einem Lärm von 120 dB (Dezibel), das ist etwa die Schmerzschwelle des Menschen, mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal, Effektivwert des Schalldrucks bei 120 dB beträgt 20 Pascal = 20 N/m². Selbst bei diesem gewaltigen Lärm ist die Druckschwankung dennoch relativ klein.

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

Die Schallfeldgrößen und Schallenergiegrößen müssen ganz klar 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. Dies hat verschiedene Gründe: Der Druck ist relativ leicht messbar. Er ist eine anschauliche Größe, und vom Menschen physiologisch erfassbar. Auch die Schallschnelle v ist eine Schallfeldgröße, wobei bei Einwirkung von Schall die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von den Fluidelementen (Luftmolekülen) gemeint ist. Hierbei wird Geschwindigkeit als Begriff nie verwendet, da die Schallgeschwindigkeit c bereits die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle beschreibt. 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 "Lärm" von etwa 120 dB (Schmerzschwelle) beträgt die Schnelleamplitude in Luft gerade einmal 0,05 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen von 0 dBSPL hat die Schnelleamplitude einen Wert von 5 · 10-8 m/s. Hierbei werden die Luftpartikel nur ganz gering ausgelenkt. Daher ist die Schnelle sicher wesentlich ungeeigneter, um Schall zu quantifizieren. Man beachte außerdem, dass es sich bei der Schallschnelle um eine geordnete Bewegung aller Teilchen handelt. Eine ungeordnete Bewegung von Materieteilchen findet immer statt. Dieses Phänomen wird mit Erzeugung von Wärme bezeichnet.

Entsprechend der Frequenz f unterscheidet man:

Schall ist im Gegensatz zu Licht eine Materiewelle. Da Schall zu seiner Ausbreitung ein materielles Medium benötigt, ist er im Vakuum nicht existent, z.B. auf dem Mond.

Schall wird mit Mikrofonen aufgenommen, die jeweils als Sensor im Schallfeld wirken und
Schall wird mit Lautsprechern als Spannungs- in Schalldruck-Wandlern wiedergegeben.

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