Physik vom Schall

Als Luftschall (kurz: Schall) bezeichnet man Luftdruckschwankungen, die dem atmosphärischen Druck überlagert sind. Durch mechanische Schwingungen von Festkörpern (zum Beispiel Lautsprechermembranen, Stimmbänder, Saiten, Gehäuseblech) oder Unterbrechung eines Luftstromes (Lochsirene) werden Über- und Unterdrücke erzeugt, die sich als Schallwellen in Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 340 m/s ausbreiten.

Die Zahl der Luftdruckschwankungen pro Sekunde bezeichnet man als Frequenz; sie wird in Hertz [Hz] gemessen: 1 Schwingung pro Sekunde = 1 Hz; 1000 Hz = 1 kHz. Bei einer Frequenz spricht man von einem Ton, bei einem Frequenzgemisch von einem Geräusch. Mit der Frequenz nimmt die Tonhöhe zu. Das menschliche Ohr kann Frequenzen zwischen 16 Hz (tiefes Brummen) und 20000 Hz (sehr hohes Pfeifen) wahrnehmen.

Je größer die Luftdruckschwankungen sind, desto größer ist die Schallintensität und umso lauter das Geräusch. Weil der Mensch Schalldrücke, deren Verhältnis über viele Größenordnungen reicht, wahrnehmen kann und sie nicht proportional verarbeitet, wurde für die Schallgrößen ein logarithmisches Maß eingeführt: der Pegel in Dezibel [dB]. Die Dezibelskala deckt den Bereich vom Geräusch an der Hörschwelle (0 dB) bis zum Schmerzbereich (circa 130 dB) ab. Dieses entspricht näherungsweise der menschlichen Empfindung.

Ein Beispiel für einen Pegel ist der Schalldruckpegel L(t), der definiert ist als der momentane Schalldruck im Verhältnis zum minimal hörbaren Schalldruck:

L(t)=10 log(p(t)2 / (p02)) in dB

p0 = Bezugsschalldruck: kleinster für das menschliche Ohr hörbarer Schalldruck bei 1 kHz = 0,00002 Pa p(t) = momentaner Schalldruck gemessen in Pa.

Druck ist definiert als Kraft pro Fläche und wird gemessen in Newton pro Quadratmeter [N/m2].
Dafür wird als Abkürzung häufig die Einheit Pascal [Pa] verwendet: 1 N/m2 = 1 Pa. 100 Pa bezeichnet man auch als 1 Hektopascal [hPa]. Der Luftdruck bei schönem Wetter beträgt etwa 1015 hPa. Das Ohr kann schnelle Luftdruckschwankungen von 0,0000002 hPa wahrnehmen. Da der Luftdruck durch Wettereinflüsse etwa zwischen 980 und 1030 hPa nur langsam variiert, kann das Ohr diese Änderungen nicht hören.

Da der Schalldruckpegel eine logarithmische Größe ist, ergeben sich zum Teil ungewöhnliche Rechenregeln, zum Beispiel:

  • Zwei gleichlaute Geräuschquellen verursachen einen um 3dB höheren Schalldruckpegel als nur eine von ihnen. So ist auch die Summe zweier Geräusche an der Hörschwelle mit 0 dB ein Geräusch mit 3 dB (0 dB + 0 dB ≙ 3 dB).
  • Eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 10 dB wird als Verdoppelung der Lautstärke wahrgenommen. Deshalb benötigt man 10 gleichlaute Geräuschquellen um den Eindruck "doppelt so laut" wie nur eine davon zu erzeugen.
  • Eine Verdoppelung des Abstandes von einer Punktschallquelle, die im Vergleich zum Abstand klein ist, führt im Fernfeld zu einer Pegelminderung um 6 dB.