Physik des Schalls

Was der Mensch an Tönen und Geräuschen hört, wird in der Physik als Schall bezeichnet. Genauer sind das Schwingungen von Molekülen in einem elastischen Medium, die sich wellenförmig ausbreiten. Diese Schallwellen können sich in Luft, Wasser oder auch festen Gegenständen fortpflanzen, jedoch nicht im luftleeren Raum.

Die Entstehung von Tönen lässt sich mit dem Anstoß beim Fußball vergleichen. Irgendein Körper bekommt einen Kick oder Druck-Impuls, der sich dann immer weiter fortpflanzt. Der Impuls wandert nun durch den schwingenden Körper, geht auf Luftmoleküle über und pflanzt sich immer weiter fort. Das heißt: Nicht die Moleküle selbst bewegen sich mit Schallgeschwindigkeit fort, sondern nur ihre Schwingung - ähnlich wie die "Welle" im Fußballstadion. So landet der Impuls vielleicht im Gehörgang eines Menschen und bringt das Trommelfell zum Schwingen. Im Innenohr wird der mechanische Reiz in elektrische Impulse umgewandelt. Diese gelangen schließlich zum Gehirn.

Der Mensch empfindet den Schalldruck oder Schallpegel als Lautstärke. Je höher der Druck, desto lauter der Ton. Physikalisch wird die Lautstärke in der logarithmischen Dezibelskala (dB) angegeben. Dabei liegt die Schmerzgrenze des menschlichen Ohres bei 120 bis 130 Dezibel. Zum Vergleich: Blätterrauschen wird mit 10 Dezibel gemessen, eine normale Unterhaltung mit 50 Dezibel und ein Düsenjet beim Start mit 125 Dezibel.

Die Frequenz von Schallwellen nimmt der Mensch als Tonhöhe wahr. Je mehr Schwingungen, desto höher ist der Ton.

Der Hörbereich eines jungen Menschen um die 20 umfasst in der Regel Frequenzen von 20 bis etwa 20.000 Hertz (Hertz: Schwingungen pro Sekunde). Der berühmte Kammerton a', nach dem alle Orchester der Welt ihre Instrumente stimmen, hat 440 Hertz. Tiefe Töne unterhalb dieses Bereiches werden als Infraschall bezeichnet und hohe über 20.000 Hertz (20 Kilohertz) als Ultraschall. Im Alter nimmt der vor allem der obere Hörbereich des Menschen jedoch deutlich ab.

Als Infraschall wird Schall mit einer Frequenz unter 20 Hertz bezeichnet, also mit so niedriger Frequenz, dass er vom menschlichen Ohr nicht gehört wird. Trotzdem spürt der Mensch ihn häufig als schwache Vibration. Typische Quellen sind alle Arten von Maschinen: Autos, Flugzeuge, Züge oder Produktionsmaschinen. In der Natur wird Infraschall durch Gewitter, Wasserfälle oder auch Wind-Turbulenzen an Gebäuden erzeugt.

Ultraschall beginnt über der menschlichen Hörschwelle bei etwa 20 Kilohertz und geht bis in den Gigahertzbereich (Milliarden Schwingungen pro Sekunde) hinauf. Einige Tiere, wie etwa Fledermäuse, können Ultraschall nicht nur hören sondern sogar aussenden. Im oberen Frequenzbereich verhält sich Schall fast wie eine Lichtwelle. Wegen dieser Ähnlichkeit ist Ultraschall für viele Anwendungen in Technik, Medizin und Chemie ausgesprochen interessant.