Allgemeine Informationen zum Schall

Schall als Wellenbewegung

Der Luftschall kann als Luftdruckschwankung in der Luft betrachtet werden. Er setzt sich aus der Wellenlänge, der Frequenz und der Intensität zusammen. Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium nach allen Richtungen symmetrisch von der Schallquelle weg aus. Wirkt auf die Moleküle eines Mediums Energie ein, so beginnen diese, vor und zurück zu schwingen. Es wird somit eine Welle erzeugt, durch die Schallenergie übertragen wird. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom Medium, das von den Schallwellen durchdrungen wird. Dies ist also eine Grundeigenschaft des Materials. In Festkörpern kann sich Schall hervorragend ausbreiten, Flüssigkeiten übertragen Schall weniger gut, Gase sind die schlechtesten Schallüberträger. Schall breitet sich in der Luft mit ca. 340 m pro Sekunde aus. In Stahl kann er sich jedoch mit ca. 5.200 m pro Sekunde verbreiten.

Da eine Schallwelle aus sich wiederholenden Amplituden (hohe und niedrige Druckbereiche) besteht, die ein Medium durchdringen, wird sie auch als Schalldruckwelle bezeichnet. Man spricht auch von kurzzeitigen Druckschwankungen in einem Medium, die sich als Wellenfront fortpflanzen. Schalldruckwellen werden somit häufig in Form einer Grafik dargestellt (siehe nachfolgende Abbildung). Dabei entspricht die X-Achse der Zeit und die Y-Achse dem Druck oder der Dichte des Mediums, durch das sich der Schall ausbreitet.

Schall- eine Wellenbewegung 

Physikalische Größe

Symbol

Maßeinheit 

Formel

Frequenz

 f=1/T

Hz=1/s 

 f=c/λ

Wellenlänge

 λ

λ=c/f

Zeitraum oder
Zyklusdauer

T=1/f 

 T=λ/c

Wellengeschwindigkeit

 c

m/s

 c=λxf


Das menschliche Ohr ist extrem empfindlich. Es kann akustische Ereignisse nur innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs wahrnehmen, der auch als Hörfähigkeit bezeichnet wird. Diese Hörfähigkeit liegt zwischen der unteren Grenze der Hörschwelle und der oberen Grenze der akustischen Schmerzschwelle bei einem Schalldruckpegel von etwa 130 dB, bezogen auf einen Frequenzbereich zwischen 20 und 20.000 Hz. Unterhalb dieses hörbaren Bereichs liegende Frequenzen werden als Infraschall und oberhalb 20.000 Hz liegende Frequenzen als Ultraschall bezeichnet.

Bezüglich der Sprachverständlichkeit liegt der wichtigste Frequenzbereich bei 300 - 3.000 Hz. Geräusche sind normalerweise keine reinen Töne, sondern enthalten Schallenergie, die sich über ein breites Frequenzspektrum erstrecken. Die Mittenfrequenzen sind international standardisiert. In der nachfolgenden Tabelle sind einige der Standard-Frequenzbänder dargestellt.

Frequenzspektrum

Schalldiagramme

 

Das menschliche Ohr reagiert auf Schalldruck. Dieser wird in der Einheit Pa (N/m2) gemessen. Der niedrigste Schalldruck, den ein durchschnittliches Ohr erkennen kann, liegt bei
ca. 0,00002 Pa und die Schmerzgrenze liegt bei ca. 200 Pa. Aufgrund dieses umfangreichen Druckbereichs kann keine lineare Skala verwendet werden. Daher wird der Schalldruckpegel generell über eine logarithmische Skala ausgedrückt (mit der Bezeichnung dB). Die Begriffe dB und bel (= 10 dB) sind rein mathematische Bezeichnungen und sind keine speziellen Begriffe aus der Akustik.

Bel ist der Logarithmus für die Beziehung zwischen zwei Größen.

Jeder Mensch nimmt Schall anders wahr. Eine Person kann ein bestimmtes Geräusch als kaum hörbar wahrnehmen, während eine andere Person das gleiche Geräusch als störend einstuft. Wie ein Mensch auf ein Geräusch reagiert, ist außerdem von der jeweiligen Gemütslage abhängig. Allgemein wird ein Anstieg um 10 dB als Verdoppelung des Schallpegels wahrgenommen. Die geringste Veränderung, die das Gehör erfassen kann, liegt bei 1 – 2 dB.

Die Wahrnehmung von Geräuschen ist von folgenden Faktoren abhängig:

  • Schallpegel
  • Frequenz
  • Art des Geräusches, konstant oder unterbrochen
  • Ob es sich um Lärm oder angenehme Geräusche wie z.B. Musik handelt 
     
Schalldruck 

Dezibel-Arithmetik

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Dezibel um einen logarithmischen Wert, der nicht wie lineare Werte addiert oder subtrahiert werden kann. Um die Arithmetik durchführen zu können, muss auf lineare Einheiten (Pa) zurückgegriffen werden. Danach wird mit logarithmischen Werten weitergerechnet.

Addieren Sie z. B. die beiden Schalldruckwerte:

Lp1= 40 dB and Lp2=45 dB

Ändern Sie zunächst die Einheiten in Bel, indem Sie diese durch 10 teilen, und kehren Sie dann zu linearen Werten zurück, um die Addition durchzuführen:

104.0 + 104.5 =10 000 + 31 622 = 41 622

Nach Umwandlung zum logarithmischen Werte ergibt sich: log (41 622) = 4.62 bel

Ergibt:

Lp.tot = 46.2 dB

Alternativ kann die obige Zahl verwende werden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.

 

Dezibel- Arithmetik 

Mathematisch betrachtet erhöht sich durch die Addition zweier identischer Quellen der Pegel um 3 dB und bei 10 identischen Quellen um 10 dB. Dies wird auch in der nachfolgenden Abbildung verdeutlicht.

Dezibel- Arithmetik


Beim Messen des Schallpegels wird die Empfindlichkeit des Gehörs anhand verschiedener Filter berücksichtigt. Diese Filter werden mit dB(A), dB(B) und dB(C) markiert. Am häufigsten wird der A-bewertete Filter verwendet, der die Art und Weise simuliert, wie das Gehör Geräusche filtert. Beachten Sie die nachfolgende Abbildung (die Dämpfungskurve für den A-Filter).

 

Dämpfung eines A-Filters

 

Bild: Dämpfungskurve für den A-Filter

Reflexion, Schallabsorption und Schalldämmung

Schall kann absorbiert, durchgelassen oder reflektiert werden. Wenn eine Schallwelle auf eine Raumbegrenzungsfläche trifft, wie z. B. Decke, Boden oder Wand, wird ein Teil der Schallenergie reflektiert, ein anderer Teil vom Material absorbiert und ein weiterer Teil durchdringt die Fläche. Siehe Abbildung.

 

Reflektion Schalldämpfung und Schalldämmung


Wie viel die Schallwelle jeweils reflektiert, absorbiert oder durchgelassen wird, ist von der Form und der Oberfläche des Materials bzw. der Konstruktion, auf die die Schallwelle trifft und der Schallfrequenz abhängig. Darauf basierend können drei akustische Parameter definiert werden.

 

Absorptionskoeffizient, α = (absorbierter Schall + übertragener Schall) / (einfallender Schall)

Reflexionskoeffizient, ζ = (reflektierter Schall) / (einfallender Schall)
Durchgangskoeffizient, τ = (übertragener Schall) / (einfallender Schall)