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Schall

Allgemeines:
Unter Schall versteht man die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) und gehört zum Fachgebiet der klassischen Mechanik.
 

Was ist Schall:
Körper können an der Grenzfläche zur Luft (oder anderen elastischen Medien) diese zu Druckschwankungen anregen, es kommt zu Druckwellen. Sind diese Druckwellen in einem bestimmten Frequenzbereich (16 bis 20000 Hz, mit menschlichem Gehör wahrnehmbar) wahrnehmbar, so nennt man diese Druckwellen Schall. Wie in der Einleitung bereits beschrieben, ist die Schallausbreitung stets an ein (elastisches) Medium gebunden, so kann Schall im Vakuum sich nicht ausbreiten.
 

Wie entsteht Schall:
Die Schallwellen werden durch (erzeugte) Wellen eines Körpers durch z.B. ein mechanisches Gerät erzeugt. Hierbei wird ein bestimmter Schalldruck P erzeugt und durch das Medium (in der Regel Luft) weitertransportiert,. Der Schalldruck P entspricht dabei der Amplitude der mechanischen Schwingung (z.B. bei einem Schlag auf eine Trommel). Die Intensität I der Schallwelle hingegen ist proportional zum Quadrat der Amplitude.
 

Messung von Schall:
Bei einem Schall wird der sog. Schallpegel L gemessen (der Einheit Dezibel (dB)), wobei der Schallpegel L logarithmisch gemessen bzw. berechnet wird, mit Hilfe der Intensität I der Schallwelle. Die Formel: L = 10·log(I : Io), wobei Io als menschliche Reizschwelle bei 1 kHz festgelegt wurde. 
 

Einteilung von Schall:
Allgemein wird Schall in drei Kategorien eingeteilt: 

  • Ein (einzelner) Ton ist eine reine Sinusschwingung mit einer einzigen Frequenz,
  • Ein Klang setzt sich aus Grundfrequenz und Obertönen zusammen.
  • Ein Geräusch ist eine Mischung aus unspezifizierten Schallsorten (z.B Donner)
Darüber hinaus wird der Schall auch noch nach der Frequenz unterteilt:
  • Bei niedrigen Frequenzen wird der Schall als Infraschall (Frequenz unterhalb von etwa 16 Hz) bezeichnet, der als Vibration spürbar wird
  • Bei hohen Frequenzen wird der Schall als Ultraschall (Frequenzen ab etwa 16 kHz) bezeichnet.


Ausbreitung von Schall in einem Medium:
Wie bereits erwähnt, benötigt Schall zur Ausbreitung stets ein Medium, wobei dieses Medium nicht nur ein Gas sein muss, sondern auch ein Festkörper oder eine Flüssigkeit sein kann. 

Angemerkt sei, dass Schallwellen eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit haben. Die Ausbreitsungsgeschwindigkeit ist in festen Körpern in der Regel. am größten, in Flüssigkeiten geringer als in Festkörpern (z.B. in Wasser ca. 1500 m/s). In Gasen als Medium ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Regel am geringsten (z. B in Luft ca. 330 m/s).

Eine Folge der endlichen Schallgeschwindigkeit ist der sog Doppler-Effekt (dieser Effekt tritt auch bei elektromagnetischen Wellen wie z.B. Licht auf. Dieser Effekt lässt sich erkennen, wenn z.B. Sender und Empfänger von Schallwellen sich aufeinander zu bewegen. Dabei wird die Tonfrequenz
etwas höher (bewegen sie sich auseinander, wird die Tonfrequenz etwas tiefer).

Die kann auch mit Hilfe einer Formel wiedergegeben werden (die Bewegungsgeschwindigkeit v klein gegen die Signalausbreitungsgeschwindigkeit c). So gilt für die  Frequenzverschiebung gegenüber der Ruhefrequenz folgender Zusammenhang:



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