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Schall - Ausbreitung und Wahrnehmung

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. Im Allgemeinen meint man mit Schall Wellen mit Frequenzen, die vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden, dies sind Frequenzen im Bereich von 16 Hz bis 20 kHz. In der Physik unterscheiden wir noch den Infraschall (Wellen mit Frequenzen unter 16 Hz) und den Ultraschall (Wellen mit Frequenzen von über 20 khz).
 

Schallentstehung und Schallausbreitung:
Die Schallwellen werden durch (erzeugte) Wellen eines Körpers durch z.B. ein mechanisches Gerät erzeugt. Dieses Gerät, bewirkt durch seine Schwingung in der (näheren) Umgebung eine Druckschwankung bzw. Dichteschwankung (in Flüssigkeiten). Hierbei wird ein bestimmter Schalldruck P erzeugt und durch das Medium (in der Regel Luft) weitertransportiert. 

In Gasen und Flüssigkeiten breiten sich die Schallwellen als Longitudinalwellen aus, während Schallwellen sich in Festkörpern auch als Longitudinalwellen ausbreiten, aber zusätzlich sind in Festkörpern noch transversale Schallwellen vorhanden. Die Ausbreitung der Schallwellen hängt im Wesentlichen von der Kopplung der sogenannten Oszillatoren ab. Je stärker die Kopplung der Oszillatoren mit dem Medium, desto so schneller breitet sich der Schall aus. Daher ist beispielsweise die Schallgeschwindigkeit in Gasen auch kleiner als in Festkörpern.

Da die Kopplung der Oszillatoren mit der Materie von den Stößen mit den Atomen bzw. Teilchen des Mediums abhängt, erklärt uns dies, warum sich Schall bei höheren Temperaturen schneller ausbreitet. Denn je höher die Temperatur T des Mediums, umso mehr schwingen die Teilchen des Mediums und umso größer ist die Stoßwahrscheinlichkeit ("Kopplung") der Oszillatoren mit dem Medium (hauptsächlich bei Gasen und Flüssigkeiten bemerkbar)

In Gasen ist die Schallgeschwindigkeit auch von der Masse bzw. der "Trägheit" der Teilchen abhängig. Daher gilt in Gasen, dass die Schallgeschwindigkeit umso größer ist, je kleiner die Masse M der Gasteilchen ist: v ~ Wurzel (T : M)


Schallwellen breiten sich mit einer bestimmten Intensität aus. Rein physikalisch betrachtet, breitet sich der Schal von einer punktförmigen Schallquelle kreisförmig aus und die Intensität nimmt von der Schallquelle mit dem Quadrat der Entfernung zur Quelle ab: I ~ 1 : r²

In der Realität tritt dieser Fall (quadratische Abstandsabhängigkeit) nie ein, da es immer zu Reflexionen der Schallwallen an Hindernisse kommt.

Wie eingangs erwähnt kann der Mensch nicht alle Schallwellen wahrnehmen. Einerseits kann das menschliche Gehör nur Schallwellen mit einer bestimmten Frequenz wahrnehmen (16 Hz bis 20 kHz), andererseits kann das menschliche  Gehör Schallwellen nur mit einer bestimmten Intensität wahrnehmen.

Im Allgemeinen kann das menschliche Gehör Schallwellen mit einer Intensität von I = 10-12 W/m² bis 1 W/m² wahrnehmen. Die Intensität von 10-12 W/m² wird als Hörschwelle bezeichnet. Die Intensität von I = 10 W/m² stellt die Schmerzgrenze wahr.




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