Akustik

Gegenstand und Bedeutung

Akustik ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Sie untersucht, wie Schall entsteht und erzeugt wird, wie er sich ausbreitet, beeinflusst und analysiert wird, wie das Gehör ihn wahrnimmt und welche Wirkung er auf Menschen und Tiere hat. Das Fach ist interdisziplinär: Es nutzt unter anderem Physik, Psychologie, Nachrichtentechnik und Materialwissenschaft.

Eine gebräuchliche, aber nicht scharf abgegrenzte Einteilung unterscheidet physikalische Akustik, physiologische Akustik und psychologische Akustik. Die physikalische Akustik behandelt vor allem Grundlagen aus der klassischen Mechanik. Die physiologische Akustik erforscht Aufnahme und Übertragung von Schall in den Gehörorganen. Die psychologische Akustik untersucht, wie akustische Nervenreize zu Hörempfindungen werden.

Wichtige Anwendungen sind Lärmforschung und Lärmminderung, die Erzeugung von Wohlklang, die Übertragung akustischer Informationen wie Töne sowie der Einsatz von Schall für Diagnosen und technische Zwecke.

Entwicklung der Akustik

Frühe systematische Beschäftigung mit Akustik bestand in Tonsystemen und Stimmungen im China des 3. Jahrtausends v. Chr. Pythagoras von Samos (ca. 570–510 v. Chr.) analysierte am Monochord mathematisch den Zusammenhang zwischen Saitenlänge und Tonhöhe; einige ihm zugeschriebene Erkenntnisse gelten allerdings als Legende.

Aristoteles beschrieb um 350 v. Chr. Schall als räumliche Bewegung und Erschütterung der Luft und betonte, dass Schall ein Ausbreitungsmedium wie Luft oder Wasser benötigt. De audibilibus, ein um c. 290 v. Chr. entstandenes Werk, behandelt die Abhängigkeit der Tonhöhe von der Schwingungsfrequenz der Schallwellen in der Luft. Vitruv untersuchte die Schallausbreitung in Amphitheatern und beschrieb die Wirkung von Helmholtz-Resonatoren zur Absorption tieffrequenten Schalls.

In der Frühen Neuzeit wurden die endliche Schallgeschwindigkeit, ihr experimenteller und theoretischer Wert sowie der Zusammenhang von Tonhöhe und Frequenz erforscht. Leonhard Euler fand die heute verwendete Form der Wellengleichung für Schall. Ernst Florens Friedrich Chladni begründete die moderne experimentelle Akustik; Chladnische Klangfiguren machen Eigenschwingungen von Platten sichtbar. Im 19. Jahrhundert kamen Erkenntnisse zum adiabatischen Verhalten von Schall, zur Zerlegung von Klängen in Grundtöne und Harmonische sowie Messgeräte wie Phonautograph, Phonograph und Kundtsches Rohr hinzu.

Im 20. Jahrhundert wurden diese Grundlagen breit angewandt: Wallace Clement Sabine begründete die wissenschaftliche Raumakustik, die Elektronenröhre von 1907 ermöglichte elektroakustische Übertragungstechnik, und Paul Langevin nutzte Ultraschall für Sonar. Lärmminderung wurde zu einer wichtigen Anwendung. Mit Strahltriebwerken um 1950 entwickelte sich die wesentlich von Michael James Lighthill begründete Aeroakustik.

Teilgebiete und Anwendungen

Die Teilgebiete richten sich nach Schallquelle, Medium oder Anwendung. Aeroakustik untersucht aerodynamisch erzeugte Geräusche und ihre Minderung. Elektroakustik umfasst Aufnahme, Verarbeitung und Wiedergabe von Schall. Fahrzeugakustik behandelt Innen- und Außengeräusche von Fahrzeugen; technische Akustik befasst sich mit Maschinen und Anlagen.

Hydroakustik untersucht Wasserschall, während ozeanische Akustik Signale aus der Unterwasserwelt der Meere erforscht. Thermoakustik behandelt die Wechselwirkung von thermischer Energie und akustischen Schwingungen. Raum- und Bauakustik untersuchen Schallübertragung in Gebäuden und die Beschallung von Zuhörerräumen.

Weitere Bereiche sind Audiometrie zur Vermessung von Parametern des menschlichen Gehörs, Bioakustik als Tierstimmenforschung, musikalische Akustik, Phonetik zur Sprachverarbeitung und -kommunikation, Psychoakustik zur subjektiven Beurteilung von Schall und deren Objektivierung sowie Lärmforschung zu Erzeugung, Minderung und Wahrnehmung von Lärm.

Analysen von Schall und Schwingungen

Bei der Frequenzanalyse wird neben zeitgemittelten Größen des Schallfelds und der Schallenergie häufig die zeitliche Auslenkung, zum Beispiel ein Drucksignal, gemessen und in ein Frequenzspektrum zerlegt. Eine Kurzzeit-Fourier-Transformation macht zeitliche Veränderungen innerhalb eines Schallereignisses zugänglich. Der Frequenzgang beschreibt, wie sich ein Spektrum bei Schallabstrahlung, Ausbreitung, Messung oder Wahrnehmung verändert. Frequenzbewertungskurven berücksichtigen dabei den Frequenzgang des Gehörs.

Die Resonanzanalyse wertet Resonanzfrequenzen aus, die entstehen, wenn ein Körper etwa durch einen Schlag impulshaft angeregt wird. Ein schwingungsfähiges System schwingt dann für eine gewisse Zeit mit charakteristischen natürlichen Eigen- oder Resonanzfrequenzen.

Die Ordnungsanalyse dient Geräuschen und Schwingungen rotierender Maschinen. Anders als bei der Frequenzanalyse wird der Energiegehalt nicht über der Frequenz, sondern über der Ordnung dargestellt. Eine Ordnung entspricht einem Vielfachen der Drehzahl.

Messräume, Hören und Lautbildung

Ein reflexionsarmer Raum besitzt an Wänden und Decke Absorptionsmaterial, sodass nur minimale Reflexionen auftreten. Dort herrschen Bedingungen wie im Freifeld; der Schalldruck einer Punktschallquelle nimmt mit 1/r mit dem Abstand ab. Solche Räume eignen sich für Sprachaufzeichnungen, die Ortung von Schallquellen und die Bestimmung ihrer Schallleistung. Ein Halbfreifeldraum hat dagegen einen schallreflektierenden Boden. Beim Freifeldraum ist auch der Boden absorbierend; ein schalldurchlässiges Gitter ermöglicht den Zugang zum Messobjekt und Messungen auch unter ihm.

Ein Hallraum ist so gebaut, dass gleich große Reflexionen aus allen Richtungen zusammentreffen. Außerhalb des Hallradius herrscht idealerweise überall derselbe Schalldruck; dieses Schallfeld heißt Diffusfeld. Weil Schall aus allen Richtungen gleichzeitig einfällt, gibt es darin keine Schallintensität. Durch Nachhallzeit-Messungen oder Referenzschallquellen wird der Raum kalibriert. Dann kann die Schallleistung einer Quelle theoretisch mit einer einzigen Schalldruckmessung bestimmt werden.

Die meisten höheren Tiere besitzen einen Hörsinn und nutzen Schall etwa für Reviermarkierung, Partnersuche, Rudelsuche, Beutesuche, Warnungen und das Mitteilen von Stimmungen. Beim Menschen liegt der Hörbereich zwischen Hörschwelle und Schmerzschwelle, etwa bei 0 dB HL bis 110 dB HL. In der Lautlehre entstehen stimmhafte Phoneme, also Vokale, durch schwingende Stimmbänder; Rachen- und Nasenraum formen den Rohklang durch Resonanzräume. Bei stimmlosen Phonemen, den Konsonanten, ruhen die Stimmbänder und der Luftstrom wird moduliert. Auch beim Flüstern ruhen sie; Vokale entstehen dann durch die Modulation des Spektrums eines hervorgepressten Luftstromrauschens.

Berufsfeld

Fachleute heißen Akustiker oder Akustikingenieur; englische Berufsbezeichnungen sind acoustical engineer und acoustician. Der übliche Zugang ist ein Studium der Physik oder ein entsprechendes ingenieurwissenschaftliches Studium. Hörakustiker arbeiten in der Medizintechnik und verbinden physikalisches mit medizinischem Fachwissen.