Schall

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Schall wird durch die Bewegung von Luftmolekülen erzeugt. Je nach Art der Bewegung entstehen unterschiedliche Schallwellen, die für uns als Töne und Klänge hörbar sind. Wir sind praktisch ständig von Schall umgeben. Manche dieser Wellen sind für uns angenehm, andere können belastend sein.

So entstehen Schall, Töne und Klang

Treffen Moleküle aufeinander, werden weniger dichte durch die dichteren verdrängt. Materie besteht beispielsweise aus sehr dichten Molekülen, Luft dagegen nicht. Treffen also zwei Teile Materie aufeinander, wird die leichtere Luft dazwischen an einen anderen Ort versetzt. Dadurch gerät sie in Bewegung und erzeugt Töne.

Ein Beispiel dafür ist das Klatschen mit den Händen. Wenn die beiden Handflächen schlagartig aufeinandertreffen, wird die Luft zwischen ihnen herausgequetscht. Es entsteht ein Geräusch, das sich aus mehreren Tönen zusammensetzt.

Beim Klatschen entsteht durch die Luftverdrängung ein lautes Geräusch.

Diese Töne bleiben nicht an Ort und Stelle. Luft hat die Eigenschaft Töne und Klang zu transportieren. Die Wellen, die bei der Verdrängung entstanden sind, breiten sich aus. Das Geräusch des Klatschens kann je nach Lautstärke auch noch von Menschen in mehreren Metern Entfernung gehört werden. Je kraftvoller das Zusammentreffen zweier Teile ist, desto potenter ist die Schallwelle.

Es müssen nicht immer zwingend zwei harte Gegenstände aufeinandertreffen, um Schall zu erzeugen. Fahrzeuge, die sich schnell durch die Luft bewegen, erzeugen ebenfalls Geräusche. Wenn wir einen Bauchklatscher auf die Wasseroberfläche machen, ist das deutlich hörbar.
Beim Pfeifen oder Sprechen wird der Luftstrom des Atems rhythmisch von den weichen Stimmlippen zerteilt und Schallwellen entstehen.

Verschiedene Arten von Schall

Die Wellen sind nicht immer gleich. Parameter wie Form der Materie, Geschwindigkeit, Kraft und Abstände der Wiederholungen (beispielsweise beim Applaus) formen verschiedene Arten von Schallwellen.

Für uns sind sie dann als verschieden hohe oder laute Töne, Klänge und Geräusche hörbar. Sehr komplex und harmonisch organisierten Schall kennen wir als Musik. Ein einzelner Ton entspricht einer äusserst linear geformten Welle. In der Natur kommt das praktisch nicht vor. Schall „steckt“ andere Wellen an und erzeugt immer Nebentöne. Ausserdem laufen sich die Wellen aus und verändern dabei ihre Form und den Klang.
Einzelne Töne können nur künstlich von Computern und unter bestimmen Voraussetzungen erzeugt werden.

Wie wir Schall wahrnehmen

In erster Linie hören wir Schall natürlich mit dem Ohr. Die Ohrmuschel ist so geformt, dass darauf treffende Wellen gebündelt werden. Im ungefähr drei Zentimeter langen Gehörgang findet eine weitere Komprimierung statt. Dann trifft der Schall auf das Trommelfell.

Diese feine Membran wird durch die Wellen in Schwingung versetzt. Das Trommelfell gibt die empfangenen Schallwellen an ein komplexes Gebilde aus drei kleinen Knochen weiter: Hammer, Amboss und Steigbügel.

Unser eigentliches Hörorgan ist die Hörschnecke. Darin befinden sich mehr als 20.000 feinste Haarsinneszellen. Die sind in der Lage, die Frequenz des Schalls zu erkennen und die Lautstärke zu bestimmen. Über elektrische Impulse werden die Messungen zum Hörnerv und weiter ans Gehirn geleitet. Dort wird Gehörtes eingeordnet und interpretiert. Wenn nötig leitet das Gehirn eine Reaktion ein: Ein als freundlich empfundener Klang führt zu Wohlgefühl, Vorfreude oder Entspannung. Misst das Gehirn eine Gefahr, wird das Kampf-oder-Flucht-Zentrum aktiviert. Bei sehr belastenden und lauten Geräuschen setzen sich unsere Beine in Bewegung und wir suchen schnell das Weite.

Freundlich empfundener Klang führt zu Wohlgefühl, Vorfreude oder Entspannung.

Neben dem Auge ist das Ohr das zweitwichtigste Sinnesorgan des Menschen. Doch wir nehmen Schall auch noch auf andere Weise wahr, und zwar mit unserem gesamten Körper. Wer kennt das nicht: Wenn ein Düsenjet durch den Himmel saust, macht sich ein eigenartiges Gefühl in der Magengegend bemerkbar. Der Schall und das Vibrieren sind so stark, dass das Zwerchfell und die Organe in Bewegung geraten.

Ähnliche, insgesamt aber positivere Empfindungen haben Menschen bei starkem Beifall in einer Konzerthalle. Der Klang der Musik kann ebenfalls durch „Mark und Bein“ gehen. Taucht ein Geräusch ganz schnell und plötzlich auf, kann er uns körperlich so sehr erschüttern, dass wir blitzschnell komprimiert werden – wir erschrecken.

Schallausbreitung und Schallgeschwindigkeit

Schall breitet sich nicht nur in der Luft aus. Auch Wasser, viele Arten von fester Materie und Gase können ihn hervorragend leiten. Treffen die Wellen auf Hindernisse, die sie weder überwinden noch durchdringen können, werden sie zurückgeworfen. Das Phänomen kennt man als Echo. Trifft Schall auf Körper, die in Schwingung versetzt werden können, leiten diese die Wellen weiter. Die Körper verdrängen durch die Vibration wieder Luft und erzeugen neue Wellen.

In vielen Medien breitet sich Schall geradlinig aus. Die Schallleitung ist so gut, dass er kaum reflektiert und manchmal sogar noch beschleunigt wird.

Doch wo ist der Schall am schnellsten? Spontan antworten die meisten Menschen hier: In der Luft! Doch das stimmt so nicht. In 0 °C temperierter Luft breitet sich Schall mit einer Geschwindigkeit von ca. 330 Metern pro Sekunde aus. Ist es wärmer, wird der er etwas schneller. Bei 20 °C Lufttemperatur ist er schon mit 343 Metern pro Sekunde unterwegs.

Obwohl wir Menschen unter Wasser nicht besonders gut hören können, ist die Schallleitung im Wasser besser als in der Luft. Verantwortlich dafür sind die besondere Dichte und Zusammensetzung der Wassermoleküle. Tatsächlich sind dichte Substanzen oftmals bessere Schallleiter als Luft.

Doch nicht alle dichten Stoffe transportieren Klang und Geräusche besser. Weiche und poröse Stoffe wie Gummi sind schlechte Schallleiter. Man nutzt sie daher auch als Schalldämpfer und zur Isolation. Menschliche Knochensubstanz leitet Schall mit unglaublichen 4080 Metern pro Sekunde. Womit sich erklärt, dass so manch ein Geräusch uns in die Knochen fahren kann.

Pyramidenschaumstoff hat ein hervorragendes Schallabsorptionsvermögen.

Doch nun zu den besten Schallleitern: In Stahl, Beton und Stein ist Schall mit Rekordgeschwindigkeiten von 6’000 Metern pro Sekunde unterwegs. Das entspricht unglaublichen 21’000 km/h!

Schallmauer und Überschallgeschwindigkeit

In der Luftfahrt sind Flugzeuge unterwegs, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen können. Heute sind das hauptsächlich Kampfjets und militärische Maschinen. Von 1969 bis 2003 war die Concorde ein legendäres Überschallflugzeug, das im normalen Passagierverkehr eingesetzt wurde.

Ein Kampfjet durchbricht die Schallmauer und fliegt schneller als der Schall.

Überschallgeschwindigkeit bedeutet, dass der Flugkörper irgendwann schneller wird als der Schall, den er durch seine Bewegung durch die Luft erzeugt. An dieser Schwelle passieren einige physikalische Phänomene, von denen die Schallmauer die bekannteste ist. Die Schallmauer ist der Moment, an dem das Flugzeug seinem eigenen Schall davonfliegt.

Für Menschen am Boden oder im Flugzeug selbst kann das Durchbrechen der Schallmauer durch einen dumpfen Knall hörbar sein.

Infraschall und Ultraschall

Schallwellen nehmen verschiedene Formen und Dichten an. Sie können hohe oder flache Täler und Spitzen, weit auseinander liegende oder sehr enge Wellen bilden.

Die Art und Weise, wie die Wellen geformt sind, und periodisch schwingen bezeichnet man als Frequenz. Wir Menschen hören normalerweise Frequenzen zwischen 20 Hz und 20.000 Hz. Frequenzen über 20.000 Hz gehören zum Ultraschall. Unter 20 Hz schwingt Infraschall.

Ultraschall wird bei medizinischen Untersuchungstechniken und der Echolot-Navigation in der Schifffahrt genutzt. In der Natur kommt er bei Fledermäusen vor. Sie nutzen Ultraschall zur Orientierung in der Dunkelheit.

Zu den bekanntesten Produzenten von Infraschall gehören Windkraftanlagen. Bewohner im Umfeld der gewaltigen Windräder klagen gelegentlich über Geräuschbelästigungen. Sie nehmen ein permanentes tiefes Brummen wahr: den Infraschall. Forschungen ergaben nun, dass manche Menschen Infraschall doch wahrnehmen können.