Schallausbreitung
Als Schallausbreitung bezeichnet man die Wellenerscheinung, die zur Fortpflanzung einer Druckstörung (zum Beispiel Klang) sowie der Übertragung des Schalldrucks (Lautstärke) in einem Schallfeld (z.B. ein Raum) führt.
Zur Ausbreitung von Schall wird ein elastisches Medium benötigt (zum Beispiel ein Gas also auch Luft), im Vakuum ist keine Schallübertragung möglich.
In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich der Schall als Longitudinalwelle aus.
Longitudinalwellen sind Druckwellen. Das bedeutet, dass sich in einem Medium Zonen mit Überdruck bzw. Druckspannung in der Ausbreitungsrichtung fortpflanzen bzw. verschieben oder ausbreiten.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird Schallgeschwindigkeit genannt.
Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Ausbreitungsmedium ab. Bei einer Temperatur von 20°C beträgt diese in Luft 343 m/s und in Wasser 1521 m/s.
Die Wellenlänge des Schalls λ kann mit seiner Frequenz f und der Schallgeschwindigkeit c über folgende Beziehung berechnet werden:
λ = c : f
Beispiel: Kammerton a hat eine Frequenz von 440 Hz die Schallgeschwindigkeit beträgt etwa 340m/s, dann beträgt die Wellenlänge etwa 1,30m.
Schall breitet sich in einem homogenen Medium nach allen Richtungen symmetrisch vom Erreger (also der Schallquelle) weg aus.
Treffen mehrere Schallwellen aufeinander, so überlagern sie sich bei geringen Amplituden ungestört. Bei sehr tiefen Frequenzen und großen Amplituden treten lokal begrenzte Temperaturabweichungen auf, was wegen der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zu nichtlinearen Effekten führt.
Wenn die Temperatur in einem Raum steigt erhöht sich die Schallgeschwindigkeit.
An Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien ändern sich die Eigenschaften der Schallwelle. Insbesondere treten Absorption und Reflexion (zum Beispiel an Wänden) sowie Brechung auf. An der Grenzfläche Metall/Luft wird der Schall z. B. praktisch vollständig reflektiert.
Eine besondere Kategorie von Schallquellen sind Musikinstrumente, da sie Klänge mit definierten Grundschwingungen erzeugen.Je nach Art der Klangerzeugung und Bauweise eines Instrumentes werden Grundschwingung und bestimmte Oberschwingungen (Harmonische) in einem für das jeweilige Instrument typische Verhältnis angeregt.
Diese Klangstruktur nennt man Spektrum. Wesentlicher Faktor ist hierbei ist die Zeit.
Man unterteilt drei Abschnitte:
- Einschwingvorgang: Zeitabschnitt, in dem sich ein Klang aus der Ruhe heraus entwickelt.
- Quasistationärer Schwingungszustand: Zeitabschnitt, in dem das Klangspektrum nur geringen Schwankungen unterworfen ist
- Ausschwingen: Zeitabschnitt vom Ende der Anregung bis zur Ruhe.