Schall (vonalthochdeutschscal) bezeichnet allgemein mechanische Schwingungen in einemelastischen Medium (Gas, Flüssigkeit, Festkörper).[1] Diese Schwingungen rufen Druck- und Dichteschwankungen hervor, die sich in dem Medium ausbreiten und so dieSchallwellen bilden.
Umgangssprachlich bezeichnetSchall vor allem dasGeräusch, denKlang, denTon, denKnall (Schallarten), wie er von Menschen und Tieren mit dem Gehör, also dem Ohr-Gehirn-Systemauditiv wahrgenommen werden kann. Man unterscheidet dabei denNutzschall, wie Musik oder die Stimme beim Gespräch, und denStörschall, wie Baustellen- oderVerkehrslärm.
Physikalisch gesehen ist Schall eine alsmechanische Welle fortschreitende Deformation in einemMedium. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten ist Schall immer eineLongitudinalwelle, also näherungsweise auch in Luft. Die allgemeineWellengleichung für dreidimensionale Schallfelder in fluiden Medien[2] lautet wie folgt:
Darin ist derLaplace-Operator. Schall breitet sich mit einer für das Medium und dessen Zustand (Temperatur,Druck usw.) charakteristischen und konstantenSchallgeschwindigkeit aus. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt diese in Luft 343 m/s und in Wasser 1484 m/s, siehe auchSchallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. DieWellenlänge der Schallwelle, die Frequenz und die Schallgeschwindigkeit sind über folgende Beziehung verknüpft:
InGasen wie Luft kann Schall als eine dem statischenLuftdruck überlagerte Schalldruckwelle beschrieben werden. Meistens sind bei Schallwellen die Schwankungen derZustandsgrößen Druck undDichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen. Das wird anschaulich, wenn manSchalldruckpegel von 130 dB (Dezibel), das ist etwa dieSchmerzschwelle des Menschen, mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325Pascal (= 1013,25 Hektopascal), während ein Schalldruckpegel von 130 dB einemEffektivwert desSchalldrucksp von gerade einmal 63 Pascal entspricht.
Dagegen gibt es in Festkörpern auchTransversalwellen undgeführte Wellen. ImVakuum gibt es keinen Schall, da er im Gegensatz zuelektromagnetischen Wellen immer ein Trägermedium braucht. Schallausbreitung findet auch imWeltraum statt,[3] wegen der geringen Dichte sind die übertragenen Energien sehr gering, und die Schallgeschwindigkeit liegt im zweistelligen km/s-Bereich. Man beobachtet astronomische Überschallereignisse in Form vonBugstoßwellen.
Die zugehörige Wissenschaft ist dieAkustik. Die beiden Energieformen, die sich beim Schall ineinander umwandeln, sind die Kompressionsenergie und die Bewegungsenergie alsSchallenergiegröße, charakterisiert werden sie aber durch dieSchallfeldgrößen:
Wellen sind zeitlich und örtlich periodische Veränderungen einer physikalischen Größeg(t, x). Der Schalldruckp ist die wichtigste Schallfeldgröße alsSkalar überhaupt; siehe auchDruckwelle. Dieses hat verschiedene Gründe: Der Schalldruck ist eine anschauliche Größe, mit Mikrofonen relativ leicht messbar und auch vom Menschenphysiologisch erfassbar. Der Schallwechseldruckp ist einfach zu messen. Bei einem Schalldruckpegel von 0 dB, also bei derHörschwelle, hat derSchalldruck alsEffektivwert einen Wert von2e-5 Pa. Dagegen ist die Schallfeldgröße Schallschnellev einVektor, wobei bei Einwirkung von Schall dieGeschwindigkeit der Hin- und Herbewegung derFluidelemente (Luftteilchen) gemeint ist. Der BegriffGeschwindigkeit wird hier zur deutlichen Abgrenzung zur Schallgeschwindigkeitc allerdings vermieden. Die Schnelle ist nicht so leicht bestimmbar. Man muss sich hierbei darüber im Klaren sein, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei derAuslenkung der Fluidelemente im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit klein sind: Bei einem Schalldruckpegel von 130 dB, der Schmerzschwelle, beträgt die Schallschnelle in Luft gerade einmal 0,153 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen hat der Effektivwert der Schallschnelle einen Wert von5e-8 m/s entsprechend einem Schallschnellepegel von 0 dB. Hierbei werden die Luftpartikel nur ganz gering ausgelenkt.
Infraschall < 16 Hz ist für Menschen nicht hörbar, da die Frequenz zu niedrig ist
Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz, ist für Menschen hörbarer Schall
Ultraschall von 20 kHz bis 1,6 GHz ist für Menschen nicht hörbar, da zu hochfrequent
Hyperschall > 1 GHz wird durch Schallwellen gebildet, die nur noch bedingt ausbreitungsfähig sind
Die Hörschwelle, Empfindung einer bestimmten Lautstärke und die Grenze zur Schmerzempfindung des Menschen verlaufen im Bereich von 16–20.000 Hz entlang einer Schar von Hörkurven, die im Bereich niedrigster und höchster Frequenzen tendenziell konvergieren. Das Hörvermögen insbesondere im Bereich hoher Töne nimmt mit zunehmendem Lebensalter aber auch durch Strapazierung des Gehörs durch laute Musik, Lärm oder Knall teilweise irreversibel ab.
Hunde und Fledermäuse können auch Töne über 20 kHz hören. Infraschall kann vom Menschen unter Umständen mit der Bauchdecke, Fingerspitzen oder beim Stehen mit den Füßen haptisch gefühlt oder an Festkörpern mit dem Auge als Vibration gesehen werden. Wird ein Piezo-Ultraschallgeber zum Vernebeln von Wasser mit dem Finger berührt, wird darin eine Hitzeempfindung erzeugt. Mit Ultraschall werden insbesondere Plastikgehäuse von Netzteilen dauerhaftverschweißt.
Man unterscheidet grob zwischen den beiden periodischenWellenformen „Ton“ und „Klang“ und den nichtperiodischen „Geräusch“ und „Knall“. Ein Ton besteht aus einer reinen sinusförmigen Schwingung. Der Klang ist eineMischung mehrerer Töne, z. B. denObertönen. Ein Knall besitzt einen „Peak“, die Amplitude nimmt dann schnell wieder ab.
Hans Breuer:dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. dtv-Verlag, München 1996,ISBN 3-423-03226-X.
Heinrich Kuttruff:Akustik: Eine Einführung. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2004,ISBN 3-7776-1244-8.
Clemens Kühn:Musiklehre. Grundlagen und Erscheinungsformen der abendländischen Musik. Laaber-Verlag, 1980,ISBN 3-921518-60-1, S. 43–50 (Material: 1. Akustische Begründung).
