Schallausbreitung

Grundprinzip der Schallausbreitung

Schallausbreitung ist die Fortpflanzung einer Druckstörung und damit die Übertragung des Schallwechseldrucks in einem Schallfeld. Sie benötigt ein elastisches Medium, also einen Stoff, dessen Teilchen durch eine Störung ausgelenkt werden und diese Bewegung weitergeben können. Im idealen Vakuum ist deshalb keine Schallübertragung möglich. Die Ausbreitung erfolgt gleichförmig; ihre Geschwindigkeit heißt Schallgeschwindigkeit.

In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Schall als Longitudinalwelle aus: Die Teilchen schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung. In Festkörpern können zusätzlich Transversalwellen, bei denen die Schwingung quer zur Ausbreitungsrichtung erfolgt, und Biegewellen auftreten. Schall in Flüssigkeiten wird als Wasserschall, Schall in Festkörpern als Körperschall behandelt.

Von einer ruhenden Schallquelle breitet sich Schall in einem homogenen, schallleitenden Medium symmetrisch in alle Richtungen aus. Bei einer punktförmigen Quelle liegen alle Teilchen mit gleichem Abstand auf einer Kugeloberfläche und befinden sich im gleichen Erregungszustand – Verdichtung oder Verdünnung – beziehungsweise in gleicher Phase. Solche Wellen heißen Kugelwellen.

Bewegen sich die Schallquelle oder der Beobachter gegenüber dem Medium, tritt der Dopplereffekt auf. Entsprechendes gilt, wenn sich das Medium um Quelle oder Beobachter bewegt. Treffen mehrere Schallwellen aufeinander, überlagern sie sich bei kleinen Amplituden ungestört. Bei sehr tiefen Frequenzen und großen Amplituden können örtlich begrenzte Temperaturabweichungen entstehen. Weil die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist, führt dies zu nichtlinearen Effekten.

An Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Medien können Schallwellen absorbiert, reflektiert oder gebrochen werden. An einer Grenzfläche zwischen Metall und Luft wird Schall praktisch vollständig reflektiert.

Schallgeschwindigkeit in Luft

In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit c bei 20 °C etwa 343 m/s beziehungsweise etwa 1235 km/h; die genauere Tabellenangabe lautet 343,46 m/s. Für einen Meter benötigt eine Schallwelle bei dieser Temperatur 2,912 ms, also ungefähr 3 ms. In einem homogenen Medium verläuft ihre Ausbreitung geradlinig.

Die Schallgeschwindigkeit nimmt mit der Wurzel aus der absoluten Temperatur T zu. Daher breitet sich Schall in wärmerer Luft schneller aus. Beispiele aus der Tabelle sind: 352,17 m/s bei 35 °C mit 2,840 ms pro Meter, 340,51 m/s bei 15 °C mit 2,937 ms pro Meter, 331,50 m/s bei 0 °C mit 3,017 ms pro Meter und 315,91 m/s bei −25 °C mit 3,165 ms pro Meter.

Einfluss von Atmosphäre und Wetter

Bei der Ausbreitung durch die Atmosphäre, etwa bei Verkehrslärm, wirken sich meteorologische Bedingungen und die akustischen Eigenschaften des Bodens aus. Besonders wichtig ist die Brechung oder Refraktion: Schallwellen werden in Richtung des Bereichs mit geringerer Schallgeschwindigkeit abgelenkt. Entscheidend sind vor allem die Lufttemperatur und die Windrichtung.

Nimmt die Temperatur mit der Höhe ab, sinkt dort auch die Schallgeschwindigkeit. Der Schall wird nach oben gebrochen. Bei bodennahen Quellen kann dadurch ab etwa 200 m Entfernung eine akustische Schattenzone mit verminderter Hörbarkeit entstehen. Weil sich der Boden durch Sonnenstrahlung erwärmt, tritt diese Situation überwiegend tagsüber auf.

Steigt die Temperatur dagegen mit der Höhe, liegt eine Inversion vor. Die Schallwellen werden dann nach unten gebrochen und können mehrfach am Boden reflektiert werden. Dadurch ist Schall über große Entfernungen gut hörbar. Dies kommt vor allem nachts vor und ist mit dem Wellenleitereffekt im Ozean vergleichbar. Starke Schall- und Druckwellen, etwa Stoßwellen wie ein Überschallknall, können durch Reflexion an atmosphärischen Schichten gebündelt und an weit entfernten Orten örtlich fokussiert werden.

Auch Wind erzeugt räumliche Unterschiede der Schallgeschwindigkeit. Da seine Geschwindigkeit normalerweise mit der Höhe zunimmt, wird Schall in Windrichtung nach unten gebrochen und bleibt über größere Entfernungen besser hörbar. Gegen den Wind erfolgt eine Brechung nach oben; dadurch entsteht eine Schattenzone mit geringerer Hörbarkeit. In 500 bis 1000 m Entfernung von einer gleichbleibenden Schallquelle kann der Schallpegel wetterbedingt um 20 bis 30 dB schwanken.

Dämpfung, Streuung und Beugung

Ein Teil der Schallenergie wird auf dem Weg durch die Luft aufgrund molekularer Reibung und anderer Moleküleigenschaften absorbiert. Der Luftabsorptionsgrad wird üblicherweise in dB/100 m angegeben und hängt von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit ab. Hohe Frequenzen werden wesentlich stärker absorbiert als tiefe. Ein anerkanntes Berechnungsverfahren enthält die Norm ISO 9613-1.

Die Tabellenwerte verdeutlichen die Frequenzabhängigkeit: Bei 10 °C und 70 % Luftfeuchtigkeit beträgt die Dämpfung 0,4 dB/km bei 125 Hz, 3,7 dB/km bei 1000 Hz, 32,8 dB/km bei 4000 Hz und 117 dB/km bei 8000 Hz. Bei 20 °C und 70 % Luftfeuchtigkeit sind es entsprechend 0,3, 5,0, 22,9 und 76,6 dB/km.

Bei der Streuung wird ein Teil der Schallenergie durch Turbulenzen in der Atmosphäre in andere Richtungen gelenkt. Besonders wirksam ist sie, wenn die Wellenlänge ungefähr der Größe der Turbulenzelemente beziehungsweise Wirbel entspricht. Streuung kann Schallenergie in Schattenzonen gelangen lassen, die beispielsweise durch eine Brechung nach oben entstehen.

Auch Beugung oder Diffraktion bringt Schall in abgeschattete Bereiche, etwa hinter ein Gebäude oder eine Lärmschutzwand. Dabei werden lange, niederfrequente Wellen stärker gebeugt als kurze, hochfrequente Wellen. Ein Schallschatten beziehungsweise eine Schallabschattung entsteht grundsätzlich, wenn sich auf dem direkten Weg zwischen Schallquelle und Hörer oder Mikrofon Hindernisse befinden.

Bodenreflexion und Überlagerung

Treffen Schallwellen auf den Boden, werden sie reflektiert. Wie viel Energie dabei absorbiert wird und wie stark sich die Phase der reflektierten Welle verschiebt, hängt von der akustischen Eigenschaft des Bodens ab. Maßgeblich ist die Schallkennimpedanz, die den Widerstand eines Mediums gegenüber der Schallausbreitung beschreibt.

Ein schallweicher Boden besitzt eine niedrige Schallkennimpedanz und wirkt stärker dämpfend. Dazu gehören lockerer, poröser Boden und frisch gefallener Schnee. Besonders hoch ist die Bodendämpfung bei flachem Schalleinfall, wenn Quelle und Empfänger nahe am Boden liegen. Festgetretener Boden, Asphalt und Beton sind dagegen schallhart, haben eine hohe Impedanz und dämpfen nur wenig.

Bei harten Böden überlagern sich der direkte Schall und seine Reflexion. Abhängig vom Einfallswinkel und von der Position des Hörers können einzelne Frequenzanteile verstärkt, abgeschwächt oder nahezu ausgelöscht werden. Dieser frequenzabhängige Wechsel von Verstärkung und Abschwächung wird als Kammfiltereffekt bezeichnet.