Ausbreitung von Schall

Wie schnell muss ein Flugzeug fliegen, um schneller als der Schall zu sein? Hm, schwer zu sagen. Denn die Schallgeschwindigkeit ist nicht konstant. Schall breitet sich von seiner Quelle her aus. Moleküle stoßen gegen andere Moleküle und rufen Bereiche mit Luftverdichtung hervor, gefolgt von Bereichen mit Luftverdünnung.

Wie schnell sich diese Wellen von Verdichtungen und Verdünnungen durch ein Medium bewegen, hängt davon ab, wie schnell die Moleküle gegen ihre Nachbarn stoßen und diese ebenso in Bewegung bringen. In der Luft gibt es genügend Raum zwischen den Molekülen. Es dauert also ein wenig, bis jedes Molekül auf einen Nachbarn trifft. Der viele leere Raum in der Luft zwischen ihren Molekülen verlangsamt die Schallgeschwindigkeit. In Wasser liegen die Moleküle indes viel näher aneinander.

Anders als Luft, kann Wasser nicht komprimiert werden. Schallwellen bewegen sich in Wasser also mehr als viermal so schnell wie in Luft. Stahl ist noch härter als Wasser. Hier sind die Atome fest aneinander gebunden, so wird jede Bewegung sofort an das nächste Atom weitergegeben. Schall reist mit fast sechstausend Metern pro Sekunde 17-mal schneller durch Stahl als durch Luft.

Die Schallgeschwindigkeit fällt in verschiedenen Medien unterschiedlich aus. Das ist selbst im gleichen Medium so! Schall bewegt sich schneller in heißer und feuchter Luft als in kalter und trockener Luft. Bei 20 Grad Celsius und trockener Luft misst die Schallgeschwindigkeit 340 Meter pro Sekunde. Wir stellen Schall, so wie hier, als Welle dar.

Ein Wellenberg ist eine Verdichtung und ein Wellental eine Verdünnung. Der Abstand zwischen zwei Bergen oder zwei Tälern ist dann die Wellenlänge. Aber die Welle steht nicht still. Sie bewegt sich durch das Medium, und die Anzahl der Berge, die einen bestimmten Punkt pro Sekunde passieren, ist die Frequenz. Hör genau hin!

Hier ist ein Basston mit einer Frequenz von 170 Hertz. Jede Welle ist zwei Meter lang – von Berg zu Berg. Zwei Meter pro Welle. Mal 170 Wellen pro Sekunde. Ist gleich...

340 Meter pro Sekunde! Hier ist ein höherer Ton. Seine Wellenlänge misst fünf Zentimeter. Das sind null Komma null fünf Meter. Und sie bewegt sich 340 Meter pro Sekunde.

Was ist ihre Frequenz? Nun... 340 Meter pro Sekunde geteilt durch Wellen von 0,05 Metern gleich 6800 Wellen pro Sekunde. Die Frequenz beträgt also 6800 Hertz. Wellenlänge mal Frequenz gleich Geschwindigkeit.

Oder, wenn du magst... Geschwindigkeit geteilt durch Frequenz gleich Wellenlänge. Wenn ein Schall auf eine Wand oder ein anderes Objekt trifft, das viel härter ist als das Medium, durch das er reist, prallt er ab und ändert die Richtung. Dies ist ein Echo. Die Entfernung zum Berg misst 680 Meter.

Der Schall braucht zwei Sekunden, um dorthin zu gelangen, und zwei Sekunden für den Weg zurück. Du hörst das Echo also 4 Sekunden verzögert. Sprichst du in einem Raum, wird der Schall deiner Stimme von den Wänden reflektiert. Diese Art von Echo, das dich überall umgibt und keine merkliche Verzögerung aufweist, wird Nachhall genannt. Ein wenig Nachhall macht den Stimmklang "weicher" und das Gesagte leichter verständlich.

Zu viel Nachhall macht Geräusche unkenntlich und trübe. Die Akustik lehrt uns, wie Geräusche reflektiert werden und nachhallen. Als Akustiker gestaltest du etwa ein Zimmer, wählst Oberflächenmaterialien aus oder bestimmst die besten Abstände und Winkel zwischen den Wänden. Tontechnik wäre unmöglich, wenn du nichts über Schallgeschwindigkeit wüsstest.