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Schallwellen

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Die Autor*innen
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Physik-Team
Schallwellen
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Grundlagen zum Thema Schallwellen

Inhalt

Schallwellen

Sie sind nicht nur wichtig für uns, auch viele Tiere kommunizieren mithilfe von Schallwellen. Doch was sind Schallwellen eigentlich und was haben sie mit Wasserwellen gemeinsam? Dies und vieles mehr soll im Folgenden genauer diskutiert werden.

Was sind Schallwellen?

Beginnen wir mit der Frage, was eigentlich Schallwellen sind.

In der Physik wird eine Schallwelle per Definition als eine mechanische Schwingung bezeichnet, die sich in einem elastischen (verformbaren) Medium (z. B. Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern) ausbreitet. Doch was bedeutet das nun genau?

Den Schall, den wir jeden Tag wahrnehmen und über den wir uns unterhalten, findet im elastischen Medium Luft statt. Sprechen wir, so regen unsere Stimmbänder die Luft in ihrer Umgebung an, auf eine bestimmte Art und Weise zu schwingen. Die von unseren Stimmbändern angeregten Luftmoleküle regen wiederum ihre Nachbarmoleküle dazu an, ebenfalls zu schwingen. So verbreitet sich die Schwingung durch die Luft, bis sie schließlich an das Ohr des Empfängers gelangt. Dort angekommen überträgt die Luft ihre Schwingung an das Trommelfell im Ohr. Da wir dazu in der Lage sind, die Schwingung des Trommelfells in ein Signal für unser Gehirn umzuwandeln, können wir diese Schwingung hören.

Wir können jedoch nicht alle beliebigen Schallwellen hören. Dies liegt daran, dass wir, wie beim Licht, nur einen bestimmten Bereich an Wellenlängen bzw. Frequenzen wahrnehmen können. Bei Schallwellen liegt der für Menschen hörbare Bereich bei Frequenzen von ca. $\pu{20 Hz}$ bis $\pu{20 kHz}$. Tiere wie z. B. Wale oder Giraffen können aber auch Schall anderer Frequenzen aussenden und wahrnehmen.

Eigenschaften von Schallwellen

Eine wichtige Eigenschaft bei der Ausbreitung von Schallwellen ist vor allem, dass sie die Luftmoleküle im Mittel von ihrer Ruheposition, im Gegensatz zum Wind, nicht fortbewegen. Dies kannst du auch bei Wasserwellen beobachten. Befindest du dich nicht zu dicht an einem flachen Ufer, so kannst du zum Beispiel ein Blatt auf das Wasser legen. Erzeugst du nun Wellen, so wird sich das Blatt zwar hin- und herbewegen, aber im Mittel, wie auch die umgebenden Wassermoleküle, auf seiner Position bleiben.

Doch was bewegt sich dann durch den Raum? Bei einer Welle bewegt sich lediglich die Energie der Schwingung durch den Raum. Im Fall von Schallwellen in Luft geschieht dies durch Druck- bzw. Dichteschwankungen. Das heißt, dass die Luftmoleküle mal stärker zusammengedrückt und mal stärker auseinandergezogen werden. Das kannst du dir wie bei einer Schwingung einer Spiralfeder vorstellen. Regst du die Feder an einem Ende zu einer Schwingung an, so kannst du erkennen, dass die Feder an manchen Stellen zusammengedrückt wird, während sie gleichzeitig an anderen Stellen auseinandergezogen wird.

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwelle durch den Raum bewegt, hängt von den Eigenschaften des Mediums ab, in dem sich die Welle ausbreitet. Breitet sich eine Schallwelle in Luft bei Raumtemperatur zum Beispiel mit einer Geschwindigkeit von ca. $\pu{343 \frac{m}{s}}$ aus, so erreicht sie bei gleicher Temperatur in Wasser eine Geschwindigkeit von $\pu{1 484 \frac{m}{s}}$.

Dezibelskala

Nun haben wir geklärt, wie sich Schall ausbreitet und welche Frequenzen wir hören können, doch was unterscheidet jetzt ein einfaches Geräusch von Lärm? Die Antwort darauf bietet die Lautstärke, also die Stärke der Schwingung. Die Einheit für die Lautstärke wird als Dezibel ($\pu{dB}$) bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine logarithmische Skala. So führt jede Erhöhung der Lautstärke um ca. $\pu{6 dB}$ zu einer Verdoppelung des Schalldrucks, der von der Schwingung ausgeht. Also sind $\pu{12 dB}$, verglichen mit $\pu{6 dB}$, doppelt so laut, aber auch $\pu{86 dB}$ sind doppelt so laut wie $\pu{80 dB}$.
Zum Vergleich: Ein normales Gespräch liegt bei einer Lautstärke von rund $\pu{50 dB}$, während ein startendes Flugzeug einen Wert von ca. $\pu{150 dB}$ erreicht. Ab Lautstärken über $\pu{90 dB}$ ist es sogar möglich, dass langfristige Schäden im Ohr auftreten, die mit der Zeit zur Schwerhörigkeit führen. Bei Lautstärken über $\pu{130 dB}$ können im Ohr sogar akute Schmerzen auftreten. Also pass ruhig ein wenig auf deine Ohren auf.

Zusammenfassung – Schallwellen

In diesem Video hast du gelernt, wie Schallwellen entstehen, und erklärt bekommen, wie du in einem einfachen Experiment die Bewegung der Moleküle bei Schallwellen im Wasser sichtbar machen kannst. Des Weiteren kennst du nun die Dezibelskala und kannst eine Erhöhung auf der Skala richtig deuten.

Transkript Schallwellen

Wie können sich Wale unter Wasser verständigen? Wozu haben wir eigentlich ein Trommelfell in unseren Ohren? Und wusstest du, dass Lärm sogar gefährlich sein kann? Viele spannende Fragen. Und alle haben mit einem Thema zu tun: Schallwellen. Natürlich kommt da zuerst die Frage: Was ist Schall überhaupt? Dabei kommen wir besonders auf das Empfangen von Schall zu sprechen. Anschließend klären wir die Begriffe Amplitude und Lautstärke und das führt uns direkt zum Lärm und dem Lärmschutz. Was ist denn nun Schall und warum redet man von Schallwellen? Schall entsteht durch das schnelle Schwingen eines Körpers. Also zum Beispiel eine Gitarrensaite. Wir schlagen die Saite an und sie schwingt hin und her. Bei einer Trommel schwingt die Membran, die über den Trommelbauch gespannt ist. Damit wir den Schall überhaupt wahrnehmen können, muss er erst einmal zu uns gelangen. Er breitet sich im Raum aus. Eine Schwingung, die sich im Raum ausbreitet, nennt man eine Welle. Deshalb spricht man auch von Schallwellen. Das sieht in etwa so aus wie bei dieser Spiralfeder hier. Genauso wie die Feder verdichtet sich auch die Luft und die Schwingung breitet sich aus. Und das ist nicht nur in Luft möglich. Auch im Wasser oder in festen Körpern kann sich Schall ausbreiten. Auf diese Weise können Wale auch unter Wasser kommunizieren. Wir Menschen brauchen zum Empfangen von Schall unsere Ohren. Im Ohr befindet sich das Trommelfell, das genau wie eine Trommel aus einer dünnen Membran besteht. Gelangt Schall in das Ohr, so schwingt das Trommelfell mit und leitet diese Signale an das Gehirn weiter. Und da wir zwei Ohren haben, können wir aus verschiedenen Richtungen Schallwellen empfangen und somit räumlich hören. Nach dem Vorbild der Ohren wurden auch Mikrophone entwickelt. In ihnen nimmt ebenfalls eine Membran die Schallwellen auf und leitet sie als elektrische Signale weiter. Diese kann man dann auf einem Bildschirm darstellen, was so aussehen kann. Du siehst, dass die Hin-und-Her-Bewegung der Membran als eine Auf-und-Ab-Bewegung der Linie dargestellt wird. Daran können wir gleich eine wichtige Eigenschaft der Schallwelle erkennen. Wir sprechen über die Amplitude und die damit verbundene Lautstärke. Die Amplitude beschreibt, wie stark eine Schwingung ist. Wenn die Membran stark schwingt, siehst du eine große Wellenkurve auf dem Bildschirm. Schwingt die Membran nur ganz leicht, ist die Linie flacher. Das kannst du gut bei der Gitarre beobachten. Nach dem Anschlagen nimmt die Amplitude der Saite immer weiter ab. Dabei wird der Ton auch immer leiser und ist irgendwann gar nicht mehr zu hören. Die Lautstärke gibt also an, wie laut ein Ton empfunden wird. Sie wird in der Einheit Dezibel (dB) angegeben. Eine normale Unterhaltung ist beispielsweise ungefähr 50 dB laut. Eine Hauptverkehrsstraße dagegen schon bis zu 90 dB. Ein startendes Flugzeug ist sogar unglaubliche 150 dB laut. Solche lauten Geräusche kennst du dann üblicherweise als Lärm. Lärm entsteht hauptsächlich durch Straßenverkehr oder Baustellen. Aber auch laute Musik kann als Lärm empfunden werden. Beim Hören über Kopfhörer können Lautstärken über 90 dB erreicht werden, was bei längerer Einwirkung zu Schäden im Ohr führen kann. Aber 130 dB kann Lärm sogar zu Schmerzen im Ohr führen. Musik kann man glücklicherweise abschalten. Alltagslärm nicht. Um sich davor zu schützen, gibt es drei Möglichkeiten. Zuerst natürlich an der Lärmquelle. Das heißt zum Beispiel, dass man Autos so baut, dass sie möglichst leise fahren. Dann kann der Schutz auf den Ausbreitungswegen erfolgen. Dir sind vielleicht schon die Schallschutzwände an der Autobahn aufgefallen. Diese schützen vor allem Wohngebiete vor dem andauernden Autolärm. Und zuletzt kann der Empfänger geschützt werden. Besonders auf Baustellen findest du daher dieses Schild. Es bedeutet, dass man einen Gehörschutz tragen soll. Damit hast du eine ganze Menge über Schallwellen gelernt. Du weißt jetzt, dass Schallwellen schnelle Schwingungen sind, die sich in verschiedenen Stoffen ausbreiten können. Zum Empfangen von Schallwellen haben wir Menschen unsere Ohren. In der Technik nutzt man dazu Mikrophone. Die Stärke einer Schwingung wird als Amplitude bezeichnet und daraus leitet sich die Lautstärke eines Tones ab. Und zu laute Geräusche werden als Lärm bezeichnet, wobei du drei Möglichkeiten kennengelernt hast, wie man sich davor schützen kann. Denk daran, wenn du das nächste Mal Musik über deine Kopfhörer hörst. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.

46 Kommentare

46 Kommentare
  1. @Mischa, du hast Recht, es gibt Gitarren mit unterschiedlich vielen Saiten, aber die meisten hab sechs. Die im Video sollte eigentlich auch sechs Saiten haben, denn sie hat ja oben auch sechs Wirbel... scheint wohl eine gerissen zu sein ;)

    Von Lukas Schwarz, vor 3 Monaten
  2. Sehr cooles viedeo!

    Von Feline , vor 3 Monaten
  3. Sehr gutes Video

    Von Oliver, vor 3 Monaten
  4. Ich habe nachgeguckt, eine E Gitarre hat 5 Saiten. Eine Akustikgitarre 6 oder 7

    Von Mischa, vor 3 Monaten
  5. Das ist nicht als Vorwurf gemeint, sondern damit Niemand was falsches lernt. Es kann auch sein, dass ich falsch liege.

    Von Mischa, vor 3 Monaten
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Schallwellen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schallwellen kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Eigenschaften einer Schallwelle an.

    Tipps

    Du kannst eine Gitarre auch hören, wenn du einige Meter entfernst stehst.

    Unsere Stimmbänder sind Schwingkörper.

    Lösung

    Wie eine Schallwelle entsteht und wie sich diese ausbreitet, kann man gut am Beispiel einer Gitarre erkennen.

    Versetzen wir die Gitarren-Saiten in Schwingung, so entsteht dadurch Schall. Je nachdem, welche Saite oder wie schnell eine Saite schwingt, desto höher oder tiefer ist der Ton.

    Da du eine Gitarre auch in einiger Entfernung noch hören kannst, muss sich der Schall im Raum ausbreiten.

    Tatsächlich sind dies die wichtigsten Eigenschaften einer Schallwelle. Diese entsteht durch die schnelle Schwingung eines Körpers, einer Membran oder einer Saite und bewegt sich als Schallwelle durch den Raum.

  • Gib an, wie Schall im Ohr empfangen wird.

    Tipps

    Das Mikrofon wurde nach dem Vorbild des Ohres gebaut.

    Der Schall trifft zunächst auf eine dünne Membran im Ohr.

    Im Gehirn wird ein akustisches Signal verarbeitet und ausgewertet.

    Lösung

    In der Zeichnung siehst du das menschliche Ohr im Schema.

    Über die Ohrmuschel $1$ und den Gehörgang $2$ gelangt die Schallwelle zum Trommelfell $3$. Dort wird die Schwingung der Welle aufgenommen und über weitere Organe des Ohres zum Gehirn weitergeleitet.

    Diesen Vorgang nutzt man auch in einem Mikrofon. Hier wird ebenfalls ein akustisches Signal, etwa die Stimme eines Sängers, von einer Membran aufgefangen und in ein elektronisches Signal übersetzt.

  • Gib verschiedene Lärmschutzmethoden an.

    Tipps

    Ein bestimmtes Geräusch entsteht an einem bestimmten Ort.

    Schallwellen breiten sich im Raum aus.

    Schall wird an Oberflächen reflektiert.

    Lösung

    Straßenlärm ist mit etwa $90 dB$ bei langer Einwirkung auf das menschliche Ohr gehörschädigend.

    Damit das Gehör vom omnipräsenten Straßenlärm geschützt ist und Anwohner einer Hauptverkehrsstraße oder einer Autobahn nicht zu sehr vom entstehenden Lärm beeinträchtigt werden, gibt es verschiedene Lärmschutzmaßnahmen.

    Damit weniger Lärm überhaupt erst entsteht, baut man Autos so, dass diese möglichst leise fahren. Diese Art des Schallschutzes nennt man Schallschutz an der Quelle.

    Eine weitere Möglichkeit ist, den Schall nicht ungehindert bis zum Ohr kommen zu lassen, also den Ausbreitungsweg des Schalles, etwa durch eine Schallschutzwand, zu behindern. Hier wird der Schall an einer sehr hohen, massiven Wand reflektiert, sodass es hinter der Wand sehr viel leiser ist als vor dieser.

    Die dritte Möglichkeit des Schallschutzes besteht direkt beim Empfänger. Durch Schallschutzkopfhörer kann etwa ein Arbeiter dem Baustellenlärm von seinen Ohren fernhalten und so einer Schädigung des Gehörs vorbeugen.

  • Analysiere die Lautstärke.

    Tipps

    Gehörschäden treten bei einer langfristigen Beschallung von etwa $85 dB$ auf.

    Die Hörschwelle liegt bei $0 dB$.

    Lösung

    Die Lautstärke eines Schalls in $dB$ gibt an, wie laut ein Ereignis von einem Menschen wahrgenommen wird.

    Unterhalb von $0 dB$ sind Geräusche für den Menschen nicht wahrnehmbar, man spricht von der Hörschwelle.

    Ab etwa $85 dB$ treten, bei langfristiger Beschallung, Gehörschäden auf.

    Ab etwa $134 dB$ spricht man von der Schmerzschwelle, da Schallwellen dieser Lautstärke als schmerzend empfunden werden.

    Die Beispiele aus der Aufgabe lassen sich folgendermaßen zuordnen :

    • Flugzeugstart: $150 dB $
    • Schmerzschwelle: $134 dB$
    • Presslufthammer: $100 dB$
    • Hauptstraße: $90 dB$
    • Gehörschäden: $85 dB$
    • PKW: $65 dB$
    • Gespräch: $50 dB$
    • Hörschwelle: $0 dB$
  • Gib die Einheit der Lautstärke an.

    Tipps

    Benannt ist die Einheit nach Graham Bell.

    Die Einheit soll angeben, wie laut ein Ereignis für den Menschen eigentlich ist.

    Lösung

    Um die Lautstärke zu quantifizieren, also ihr einen Zahlenwert zuzuweisen, wird eine Einheit benötigt.

    Diese wird als Dezibel bezeichnet, und gibt an, wie laut ein Ereignis eigentlich ist.

    Nach Graham Bell, der das Bel als Einheit für die Lautstärke festlegte, entwickelte sich mit der Zeit das praktischere Dezibel also ein Zehntel eines Bels.

    Um Lautstärken in sinnvolle Bereiche einzuteilen, behilft man sich oft mehrerer Grenzen:

    Schmerzschwelle : $130 dB$ Gehörschäden : $90 dB$ Hörschwelle : $0 dB$

    Da ein startendes Flugzeug als schmerzend empfunden wird, muss dieses also mehr als $130 dB$ laut sein.

  • Untersuche die Amplitude der Schallwellen.

    Tipps

    Die Energie, welche in einem Feder-Masse-System gespeichert ist, hängt von der Auslenkung aus der Ruhelage ab.

    Wasserwellen sind dann stark, wenn sie hoch sind.

    Amplitude und Frequenz charakterisieren eine Schwingung.

    Lösung

    Die Amplitude einer Schwingung gibt an, wie weit diese aus der Null-Lage ausgelenkt ist.

    Eine Schwingung lässt sich mittels der Amplitude, Frequenz und Wellenlänge hinreichend genau beschreiben. Diese drei Parameter rufen unterschiedliche Charakteristika bei einer Welle hervor. Sicher hast du auch schon einmal gehört, dass sehr hohe Töne eine ebenfalls hohe Frequenz haben. Doch wie verhält es sich mit der Amplitude?

    Betrachten wir zunächst die Feder als ein einfaches Beispiel für eine Schwingung:

    Wird diese aus der Ruhelage ausgelenkt, so bewegt sie sich, nachdem wir sie loslassen durch die Ruhelage hindurch, zwischen positiver und negativer Amplitude hin und her. Je weiter die Feder ausgelenkt war, desto stärker ist dabei die zu beobachtende Schwingung.

    Ähnliches gilt bei einer Schallwelle. Auch diese ist im physikalischen Sinne eine Schwingung.

    Wir können sie zwar nicht sehen, jedoch wissen wir, das sich diese Welle in Form einzelner Schwingungen bewegt.

    Die Amplitude der Schwingungen muss also auch bei der Schallwelle angeben, wie stark eine Schallwelle ist.

    Generell gilt: Je größer die Amplitude einer Schallwelle, desto lauter ist sie.

    Ganz so würden wir wohl den Wellengang in einer Bucht charakterisieren: Je höher die Welle (Amplitude), desto stärker ist der Wellengang.

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