Grundlagen der Akustik

SCHALL ALS MECHANISCHE WELLE

Eine mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum.

Stell Dir vor, Du knotest eine lange Perlenkette. Die Perlen sind die Teilchen, die miteinander gekoppelt sind, wie etwa Wassermoleküle, die aufeinander zwischenmolekulare Kräfte ausüben.

Wenn man nun die Perlenkette flach auf den Boden legt und an einem Ende zu schwingen beginnt, wird sich die Schwingung über die ganze Kette ausbreiten. Probiere es mit einem Seil aus!

Zu den mechanischen Wellen gehören z.B. Wasserwellen, Schallwellen und Erdbebenwellen. Wasserwellen oder die „Welle“ in unserer Perlenschnur sind Querwellen (Transversalwellen). Hierbei erfolgt die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Schallwellen unterscheiden sich von Wasserwellen oder den Wellen unserer Perlenkette, da es sich bei Schallwellen um Längswellen (Longitudinalwellen) und bei Wasserwellen wie oben beschrieben, um Transversalwellen) handelt.

Was bedeutet das?

Stell Dir die Luft bildlich vor: Luft besteht aus vielen Gasmolekülen: Stickstoffmoleküle, Sauerstoffmoleküle, ein paar Kohlenstoffdioxidmoleküle und andere Gasmoleküle schwirren umher.

Wenn man nun einen Ton erzeugt, werden einiger dieser Moleküle zusammengedrückt. Gleichzeitig wird damit ein Unterdruck ausgelöst, es entstehen Verdichtungen und Verdünnungen in Längsrichtung, eben Longitudinalwellen.

Man kann sich das vorstellen, wie wenn man eine lange Feder nimmt und der Länge nach hin und her schüttelt- auch da kann man diese Verdichtungen und Verdünnungen beobachten.

Eine Welle (z.B. eine Wasserwelle) breitet sich in einer bestimmten Richtung aus, der Wellenberg steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Wenn auf der Welle ein Boot schaukelt, so wird das Boot nur nach oben und unten „geschaukelt“, nicht aber von der Welle mitgenommen. Man sagt „Eine Welle ist eine zeitlich und räumlich periodische Änderung physikalischer Größen“.

 Will man eine Welle beschreiben oder berechnen, so benötigt man einige Größen:

Physikalische Größe Physikalische Bedeutung Formel-zeichen Ein-heit Messgerät
Elongation Größe der momentanen Auslenkung des Schwingers 1 m  Lineal
Amplitude Maximale Auslenkung der Schwingung ymax 1 m  Lineal
Schwingungsdauer (Periode) Zeit, die für eine vollständige Schwingung benötigt wird 1 s  Uhr
Frequenz Anzahl der Schwingungen pro Sekunde 1 Hz = 1/s Berechnung: f = 1 / T
Ausbreitungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit, mit der sich die Welle im Raum ausbreitet v oder c  1 m/s 1 km/h Berechnung:
v = s / t
Wellenlänge Abstand zwischen zwei Wellenbergen l 1 m  Lineal

hier die Skizze einer Welle:
 

 

Weitere Eigenschaften von Wellen:

Interferenz

Experiment:

Erzeuge in einer Wasserwanne an beiden Enden mit Hilfe der Stimmgabel eine Welle. Was beobachtest du?

Die Überlagerung von Wellen (auch von Schallwellen nennt man Interferenz. Dabei unterscheidet man destruktive Interferenz (die Wellen löschen sich gegenseitig aus) von konstruktiver Interferenz (die Wellen verstärken sich).

Reflexion von Wellen

Beschreibe wie eine Fledermaus mit Hilfe von Ultraschall Insekten jagen kann:

Treffen Wellen (z.B. Ultraschalwellen) unter einem bestimmten Einfallswinkel auf eine Wand (oder ein Objekt), so werden sie reflektiert. Der Einfallswinkel ist gleich groß wie der Reflexionswinkel.

SCHALLGESCHWINDIGKEIT

Damit sich Schall ausbreiten kann, braucht er ein Medium (z.B. Luft oder Wasser), in Vakuum kann sich Schall nicht ausbreiten!

Bei einer Temperatur von 20 ◦C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 340m/s. Das sind 1224 km/h. In Flüssigkeiten und festen Körpern ist die Schallgeschwindigkeit größer als in der Luft und auch bei höheren Temperaturen wird sie größer.

 

DAS OSZILLOSKOP

Mit einem Oszilloskop kann man Wellen sichtbar machen.

Du kannst Dir ein einfaches Ozilloskop selber bauen:

Variante 1:

Probiere folgendes aus: Drehe aus Papier eine Tüte (ein Stanitzel), fülle es mit Sand und hänge es am Tisch oder Sessel auf. Unter Dein Stanitzel legst Du einige aneinandergeklebte A4-Seiten. Mache nun ein kleines Loch in Dein Stanitzel, so dass Sand rausfließen kann, bringe das Stanitzel quer zum Papier zum Schwingen und ziehe das Papier das Länge nach.

Je nachdem, wie stark das Stanitzelpendel schwingt und wie schnell Du das Papier ziehst, hast Du unterschiedliche Wellenmuster.

Variante 2:

Nimm eine Stimmgabel und klebe an einer der beiden Zinken mit Klebeband einen Bleistift.Bringe die Stimmgabel zum Schwingen und versuche mit möglichst ruhiger Hand einen geraden strich zu zeichnen. Auch in diesem Fall, bringst Du eine Welle zu Papier.

Hier Auszüge von Tönen, wie sie auf dem OPzilloskop aussehen:

Hoher, Lauter Ton Hoher, Leiser Ton
Tiefer, Lauter Ton Tiefer Leiser Ton

TÖNE UND GERÄUSCHE

Nimm ein langes Lineal (30cm) aus Kunststoff. Halte es an einem Ende fest und schwinge nun das freie Ende.

Variiere die Länge: mal steht das Lineal nur wenige cm über der Tischkante, mal über 25cm. Wann ist der

 Ton höher, wann tiefer. Warum?

Das lange Ende schwingt langsamer → tieferer Ton

 

Tonhöhe

Die Tonhöhe wird durch die Frequenz (Zahl der Schwingungen in der Sekunde) der Schallwelle bestimmt.

Der von Menschen hörbare Bereich ist individuell verschieden und liegt im Bereich zwischen 16Hz und 20000 Hz.

Ultraschall

Ultraschall ist Schall, welcher von Menschen nicht mehr wahrgenommen werden kann. Er hat Frequenzen von über 20000 Hz. Manche Tiere, z.B. Fledermäuse können Ultraschall noch hören und orientieren sich sogar mit Hilfe von Ultraschallecho im Raum.

Technische Anwendungen von Ultraschall sind z.B. Sterilisation von Gegenständen, Messen von Meerestiefen mittels Echolot oder Ultraschalluntersuchungen in der Medizin (z.B. Untersuchungen von Ungeborenen).

Hoher, Lauter Ton Hoher, Leiser Ton
Tiefer, Lauter Ton Tiefer Leiser Ton

Lautstärke

Die Lautstärke eines Tones ist abhängig von der Energie, welche die Schallwelle pro Sekunde an unser Ohr transportiert.

Die Schallintensität I ist somit jene Energie, die pro Sekunde in senkrechter Richtung durch einen m2 tritt. Ihre Einheit ist W/m2.

Das menschliche Ohr ist für verschiedene Frequenzen unterschiedlich empfindlich. Die kleinste Schallintensität welche unser Ohr gerade noch wahrnehmen kann nennt man Hörschwelle.

Der Schallpegel L= 10.lg /I/10-12). Seine Einheit ist Dezibel (dB). Da Töne mit verschiedenen Frequenzen bei gleicher Dezibel-Zahl verschieden laut erscheinen, hat man die „Lautstärke“ mit der Einheit phon eingeführt. Sie vergleicht Töne mit einer Frequenz von 1000 Hz. So hört man einen Ton mit 40dB und einen Ton mit 65 dB bei 1000 Hz gleich laut.

LÄRM UND GESUNDHEIT

Als Lärm bezeichnet man Schall welcher unerwünscht und störend ist. Gesundheitliche Folgen von Lärm (vor allem Dauerlärm können sein: Kopfschmerzen, Benommenheit, Magen-Darm-Störungen, seelische Beeinträchtigungen und mittlerer bis schwerer Hörverlust.

Die Begriffe Lautstärke und Lautheit sind subjektive Schall-Empfindungen und somit nicht eindeutig messbar. Um Lautstärke als Größe zu beschreiben gibt es den „Lautstärkepegel“ LN mit der Einheit Phon.

Der Wert in Phon gibt an, welchen Schalldruckpegel (in dB) ein Sinuston mit einer Frequenz von 1000 Hz besitzt, der gleich laut wie das Schallereignis, das eine andere Frequenz besitzt, empfunden wird. Bei 1000 Hertz entspricht 1dB somit 1 phon.

Während die Tonhöhe durch die Frequenz charakterisiert wird, entspricht die Amplitude der Schallwellen dem Schalldruck und wird in der Einheit Pascal (Pa) angegeben. Die Dimension der Zahlenwerte des Schalldrucks ist sehr groß und für den alltäglichen Gebrauch daher unpraktisch.

Um eine alltagstaugliche Größe zu erhalten, hat man den Schalldruck in ein logarithmisches Verhältnis zum Schalldruck der Hörschwelle bei 1.000 Hz (=Bezugsschalldruck) gesetzt. Der Schalldruckpegel ist der 20fache dekadische Logarithmus des Verhältnisses eines gemessenen Schalldrucks zu diesem Bezugsschalldruck.

Bei einer Erhöhung des Schalldruckpegels um wenige Dezibel wird der Schalldruck vervielfacht. Bei einer Erhöhung des Schalldruckpegels um 20 Dezibel erhöht sich der Schalldruck um den Faktor 10, bei 40 Dezibel um den Faktor 100 usw. Ein Pegelunterschied von 1 dB ist gerade noch wahrnehmbar, eine Schalldruckverdoppelung entspricht 6 dB, eine Lautstärkeverdoppelung aber einem Anstieg von 10 dB.

Ein Geräusch mit 80 phon wird nicht doppelt so laut empfunden wie ein Geräusch mit 40 phon, sondern 16-mal so laut

Unser Gehör ist ein Schalldruckempfänger, das Trommelfell wird vom Schalldruck bewegt.

Wir nehmen beim Hören periodische Druckschwankungen, wahr, die den atmosphärischen Gleichdruck von 101 325 Pascal überlagern. Der Schall ist somit der Wechsel des Schalldrucks p, der in Pascal gemessen wird. 1 Pa = 1 N/m2 = 1 J / m3 = 1 kg / (ms2).

Bei Schalldruck und Schallintensität ist es auch wichtig, den Abstand von der Lärmquelle anzugeben!

→ Entfernt man sich von einer Schallquelle, z.B. einem Lautsprecher so bemerkt man eine Abnahme der Lautstärke, obwohl die Schallleistung der Schallquelle immer noch gleich hoch ist. Von den Schallwellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten, erreicht jedoch nur noch ein Teil unser Gehör.

Bei Arbeiten welche hohe Konzentration benötigen gelten 50 dB als Obergrenze, bei Arbeiter/innen stellen 90 dB die absolute Obergrenze dar. Ab 85 dB schreibt der Gesetzgeber einen Gehörschutz vor.

Lärm – Schallquellen
Beispiele mit Abstand

 
Schalldruckpegel 
Lp in dB
 
 Düsenflugzeug  

in 30 m Entfernung 

140
 Schmerzschwelle 130
 Unwohlseinsschwelle 120
 Kettensäge

 in 1 m Entfernung

110
 Disco, 1 m vom Lautsprecher 100
 Dieselmotor, 10 m entfernt 90
 Rand einer Verkehrsstraße 5 m 80
 Staubsauger in 1 m Entfernung 70
 Normale Sprache in

 1 m Abstand

60
 Normale Wohnung,

ruhige Ecke

50
 Ruhige Bücherei, allgemein 40
 Ruhiges Schlafzimmer bei Nacht 30
 Ruhegeräusch im TV-Studio 20
 Blätterrascheln in der Ferne 10
 Hörschwelle  0

SCHÜTZE DEIN GEHÖR!

Montagmorgen, 7:30. Belinda fährt mit der U-Bahn zur Schule. Noch will sie sich ein wenig entspannen, ein wenig abschalten. Belinda hat wie meist am Schulweg ihre Kopfhörer auf. Belinda hört Musik. Eigentlich gar nicht so laut, dennoch regt sich der Typ vor ihr auf, sie solle die Musik leiser drehen. Spinner, denkt Belinda. Der hätte am Samstag in der Disko sein sollen. Da war es laut! Belindas Ohren dröhnten noch den ganzen Sonntag!

Was denkst du? Wie schadet Belinda ihren Ohren?

Zu lange und laute „Beschallung (z.B. lautes Musik hören) kann Beeinträchtigungen oder bleibende Schäden am Gehör hervorrufen. Das Hörvermögen kann dabei bis zur Schwerhörigkeit geschädigt werden. Belindas „dröhnende Ohren war vorübergehender Tinnitus (  Ohrgeräusche), hervorgerufen durch die hohen Schallspitzen in der Diskothek. Wäre es an einem Arbeitsplatz so laut wie in der Disko, wären betriebliche Schutzmaßnahmen für Betroffene gesetzlich vorgeschrieben. Lärmmessungen, die stichprobenartig in Diskotheken und bei Live-Musikveranstaltungen durchgeführt wurden, ergaben Musikschallpegel zwischen 90 und 110 dB(A). Das ist Lärm bis fast an die Schmerzgrenze!

Wie entstehen Gehörschäden?

Der Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV) zufolge darf der Beurteilungspegel in Arbeitsräumen, bezogen auf acht Stunden, höchstens 85 dB(A) betragen. Arbeitgeber müssen ihren Beschäftigten bereits ab einem Beurteilungspegel von 80 dB(A) Gehörschutz zur Verfügung zu stellen. Ab 85 dB(A) müssen alle Beschäftigten ihren persönlichen Gehörschutz bestimmungsgemäß verwenden.
„Lärmspielzeug” (zum Beispiel Pistolen, Trillerpfeifen und Holz-Ratschen), tragbare Musikabspielgeräte sowie Feuerwerkskörper können das Gehör aber genauso beeinträchtigen. Tragbare Abspielgeräte mit Ohrhörern (z.B. mp3-Player) erreichen Musikschallpegel bis zu 110 dB(A). Dies entspricht der Lärmbelastung durch einen Presslufthammer. Bei Spielzeugpistolen wurden kurzzeitige Spitzenpegel von 160 dB(A) und mehr gemessen, wenn sie unmittelbar am Ohr abgefeuert wurden. „Lärmspielzeug“ und tragbare Musik-Player überschreiten also oftmals die gesetzlich zugelassenen Lärmwerte.

Lärmbedingte Hörschäden sind nicht heilbar. Sowohl durch laute Dauerschallbelastung als auch durch kurze, dafür sehr laute Lärmeinwirkung   können die Haarzellen im Innenohr mit ihren feinen Härchen dauerhaft geschädigt werden. Diese Zellen wandeln Schallschwingungen in elektrische Signale um, die über das Nervensystem an das Gehirn weitergeleitet werden.

Gefährlich sind hier besonders die hohen Töne bei Frequenzen um 4.000 Hertz. Diese Töne verursachen am häufigsten lärmbedingten Hörverlust. Das Verstehen von Sprache und damit die Kommunikation in Umgebungen mit Hintergrundgeräuschen sind dann beeinträchtigt. Ein Gespräch in einem Restaurant ist für Betroffene ohne Hörhilfe nur mehr sehr schwer möglich. Später, wenn die Lärmbelastung nicht nachlässt, nimmt auch die Hörfähigkeit für tiefere Töne ab. Zerstörte Haarzellen wachsen nicht nach, ein lärmbedingter Hörschaden ist also nicht heilbar.

Belindas „dröhnende Ohren“ sind auf alle Fälle ein Warnsignal ihres Körpers. Hörschäden können aber auch entstehen, ohne dass solche Ohrgeräusche auftreten.

Eine Untersuchung von etwa 1.000 Kindern zwischen acht und 14 Jahren durch das Umweltbundesamt (Deutschand) zeigte die Belastung der Heranwachsenden durch Lärm. Es zeigte sich, dass rund 13 Prozent der untersuchten Kinder bei mindestens einer Testfrequenz einen Hörverlust von mehr als 20 dB(A) aufweisen, 2,4 Prozent sogar von mehr als 30 dB(A). Das bedeutet, sie benötigten einen um 20 beziehungsweise 30 dB(A) höheren Schallpegel als die anderen, um den Testton hören zu können. Freizeitlärm könnte eine der Ursachen für diese Hörverluste sein.

Wie könnte Belinda und sie könntest auch du dein Gehör schützen?

·       Bei lauten Konzerten oder in der Disko Gehörschutzstöpsel verwenden.

·       Beim Musikhören mit Kopfhörer sollte eine gemäßigte Lautstärke gewählt werden und nur Geräte mit eingebauter Schallpegelbegrenzung kaufen.

·       Eltern sollten beim Kauf von schallgebendem Spielzeug durch Vergleiche darauf achten, leisere Produkte zu wählen.
Das Umweltbundesamt empfiehlt, hohe Lautstärken in der Freizeit möglichst zu vermeiden und, wo das nicht geht, Gehörschutz zu verwenden. Regelmäßige Einwirkung hoher Schallpegel ohne Gehörschutz sollte vermeiden

Schallwellen sichtbar machen

Quellen:

https://www.leifiphysik.de/mechanik/mechanische-wellen

http://www.ebg-rottenburg.de/projekte/physik7/klasse7_downloads.htm

https://www.planet-wissen.de/gesellschaft/wohnen/wohnen_und_gesundheit/pwielaermmachtkrank100.html

 

Silke Geroldinger, 2015

Teste Dein Wissen über Akustik!

1. Mechanische Wellen: Welcher Parameter ist dargestellt:

 
 
 
 

2. Mechanische Wellen: Welcher Parameter ist dargestellt:

 
 
 
 

3. Mechanische Wellen: Welcher Parameter ist dargestellt:

 
 
 
 

4. Welche der folgenden Abbildungen A, B, C, oder D stellt einen hohen, lauten Ton dar?

A:                               B:                         C:                           D:

 

 
 
 
 

5. Wie schnell ist Schall?

 
 
 
 

6. Wann ist die Schallgescwindikeit größer

 
 
 
 

7. Ab wieviel dB schreibt der Gesetzgeber einen Gehörschutz vor?

 
 
 
 

8. Schallwellen sind…

 

 
 
 

9. Wasserwellen sind…

 

 
 
 
 

10. Die maximale Auslenkung der Schwingung heißt:

 
 
 
 

Question 1 of 10

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