Akustik

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Einleitung
• Entstehung und Ausbreitung von Schallwellen
• Eigenschaften der Schallwellen
• Überschallgeschwindigkeit
• Die verschiedenen Frequenzbereiche
• Reflexion, Beugung und Brechung
• Der Dopplereffekt

Einleitung

Die Akustik ist die Lehre der Schallwellen und beschreibt deren Eigenschaften und Ausbreitung. Schallwellen sind mechanische Wellen und daher auf ein Medium angewiesen, in dem sie sich ausbreiten können. Dabei spielt der Aggregatzustand des Mediums keine Rolle: Schall breitet sich in der Luft aus, im Wasser oder auch in Festkörpern wie Hauswänden, Holzbalken oder Eisenstangen. Der entscheidende Unterschied zwischen den verschiedenen Medien ist die spezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls.

Entstehung und Ausbreitung von Schallwellen

Eine Schallwelle entsteht, wenn die Moleküle der Luft beispielsweise durch einen Lautsprecher oder ein fahrendes Auto zum Schwingen angeregt werden. Die schwingenden Moleküle stoßen immer wieder ihre Nachbarn an und breiten so die Schwingung aus. Man spricht dann von einer Welle, die sich in der Regel in alle Raumrichtungen als Kugelwelle ausbreitet. Erreicht die Welle schließlich unser Ohr, wird das Trommelfell ebenfalls in Schwingung versetzt, was wir als Ton wahrnehmen. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen, die kein Medium benötigen, wäre eine Schallausbreitung ohne Medium nicht möglich. Aus diesem Grund gibt es im Vakuum des Alls zwar Licht, aber keine Geräusche.

Eigenschaften der Schallwellen

Wie jede Welle lassen sich Schallwellen durch die drei Größen Ausbreitungsgeschwindigkeit $v$, Frequenz $f$, Wellenlänge $\lambda$ und deren Zusammenhang

$v=f\cdot\lambda$

beschreiben. Wie bereits erwähnt hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle vom Medium ab, in dem sie sich ausbreitet. Die Geschwindigkeit in Luft beträgt etwa $343\,\frac{\text{m}}{{\text{s}}}$, in Wasser ist sie über viermal so schnell.

Überschallgeschwindigkeit

Da Schall nur eine endliche Geschwindigkeit hat, ist es selbstverständlich möglich, sich schneller als der Schall fortzubewegen. Manche Flugzeuge sind dazu in der Lage. Man sagt sie fliegen mit Überschallgeschwindigkeit. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass man das Flugzeug vorbeifliegen sieht, und erst danach hört. Beim Überschreiten der Schallgeschwindigkeit ist außerdem ein lauter Knall zu hören.

Die verschiedenen Frequenzbereiche

Die Frequenz ist ausschlaggebend für die Tonhöhe, die wir wahrnehmen: Je größer die Frequenz, desto höher der Ton. Allerdings gilt diese Regel für uns Menschen nur im Bereich zwischen $16\,$Hz und $20.000\,$Hz, in dem wir Töne hören können. Ist die Frequenz größer, spricht man von Ultraschall. Ist sie kleiner, spricht man von Infraschall. Manche Tiere benutzen diese Frequenzbereiche zur Kommunikation. Ersteren findet man bei Fledermäusen, letzteren bei Giraffen und Walen.

Reflexion, Beugung und Brechung

Ebenso wie Licht kann auch Schall reflektiert werden. Wenn Schall auf eine Wand trifft, wird er im gleichen Winkel zurückgeworfen. Daher kannst du in Tunneln dein eigenes Echo hören. Brechen würden Schallwellen, wenn sie von einem Medium in ein anderes übergehen. Die Beugung von Schallwellen beruht auf dem Huygensschen Prinzip und ist dafür verantwortlich, dass du um die Ecke hören kannst.

Der Dopplereffekt

Der Dopplereffekt ist ein Phänomen, dass du regelmäßig im Alltag beobachten kannst. Sicher ist dir aufgefallen, dass die Sirene eines Krankenwagens höher klingt, wenn er auf dich zufährt. Hat er dich passiert und entfernt sich wieder von dir, klingt er plötzlich viel tiefer. Die Sirene sendet in einer bestimmten Frequenz Wellenberge aus. Nähert der Krankenwagen sich nun einem Beobachter, fährt er dem ersten Wellenberg hinterher. Wird nun der zweite ausgesendet, haben sie einen kleineren Abstand zueinander. Die Wellenlänge scheint sich verkleinert zu haben und der Ton erscheint höher.

Die Größe der Wellenlängenänderung hängt von der Relativgeschwindigkeit zwischen Beobachter und Sender ab und berechnet sich durch

$\lambda_b=\lambda_w\frac{1\mp\frac{v_w}{c}}{1\pm\frac{v_b}{c}}$.