Schallausbreitung

Mit Schallausbreitung bezeichnet man die Wellenerscheinung, die zur Fortpflanzung einer Druckstörung sowie der Übertragung des Schallwechseldrucks in einem Schallfeld führt. Zur Ausbreitung von Schall wird ein elastisches Medium benötigt, im Vakuum ist keine Schallübertragung möglich. In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich der Schall als Longitudinalwelle aus, in festen Medien auch in Form von Transversalwellen und Biegewellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird Schallgeschwindigkeit genannt.

Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium nach allen Richtungen symmetrisch vom Erreger (also der Schallquelle) weg aus. Bewegt sich der Erreger im Medium (oder bewegt sich das Medium um den Erreger, was vom Medium aus betrachtet einer Bewegung des Erregers im Medium gleichkommt), so tritt der Dopplereffekt auf. Dieser tritt auch auf, wenn sich der Beobachter (Zuhörer) im Medium bewegt (bzw. entsprechend das Medium um den Beobachter).

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.

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 praktisch vollständig reflektiert.

Schallausbreitung in der Atmosphäre

Breitet sich Schall durch die Atmosphäre aus (z. B. Verkehrslärm), so wird er von den meteorologischen Bedingungen und den akustischen Eigenschaften (Akustische Impedanz) des Bodens beeinflusst.

Luftabsorption

Ein Teil der Schallenergie wird durch molekulare Reibung und andere Moleküleigenschaften auf dem Weg durch die Atmosphäre absorbiert. Der Luftabsorptionsgrad, der üblicherweise in dB/100 m angegeben wird, hängt von der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit ab. Höhere Frequenzen werden wesentlich stärker absorbiert als tiefe Frequenzen. Ein anerkanntes Berechnungsverfahren für den Luftabsorptionsgrad ist in der ISO 9613-1 festgelegt. Atmospheric absorption coefficient heißt übersetzt atmosphärischer Absorptionsgrad.

Brechung (Refraktion)

Datei:Refraktion dh.png
Verlauf der Schallstrahlen bei Brechung

Wie jede Form von Wellen so ändern auch Schallwellen ihre Richtung in inhomogenen Medien, d h. wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dem durchlaufenen Weg nicht überall dieselbe ist. Lichtstrahlen werden beispielsweise zum optisch dichteren Medium hin gebrochen, d.h. dem Bereich mit geringerer Ausbreitungsgeschwindigkeit. Schallwellen im Freien verhalten sich analog, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit von zwei - in diesem Zusammenhang prinzipiell unabhängigen - Wetterbedingungen abhängt: der Lufttemperatur und der Windrichtung. Für eine merkliche Brechung reichen bereits geringe räumliche Unterschiede in einer der beiden Einflussgrößen aus. Nimmt die Temperatur mit der Höhe ab, so ist die Schallgeschwindigkeit weiter oben etwas langsamer und wird der Schall nach oben abgelenkt. Dann bildet sich ab einer gewissen Entfernung (bei bodennahen Schallquellen ab etwa 200 m) eine akustische Schattenzone mit verminderter Hörbarkeit. Umgekehrt führt eine Temperaturzunahme mit der Höhe (Inversion) zu einer Abwärtsbrechung der Schallwellen und gegebenenfalls einer Mehrfachreflexion am Boden. Die Folge ist eine gute Hörbarkeit über große Distanzen hinweg.

Auch Wind kann räumliche Unterschiede bei der Schallausbreitungsgeschwindigkeit bewirken, wenn auch nur im Prozentbereich (z.B. 340 m/s +/- 10m/s). Da die Windgeschwindigkeit in der Regel mit dem Abstand zum Boden zunimmt, nimmt bei Mitwindausbreitung die Schallgeschwindigkeit mit der Höhe zu. Der Ausbreitungsrichtung wird nach unten gebrochen, und die Hörbarkeit über große Distanzen verbessert sich wie bei einer Inversionswetterlage. Umgekehrt führt eine Schallausbreitung gegen den Wind (Gegenwindausbreitung) durch Brechung nach oben zu einer Schattenzone und verminderter Hörbarkeit.

Die wetterbedingte Schwankung des Schallpegels in 500 bis 1000 m Entfernung von einer konstanten Schallquelle kann zwischen 20 und 30 dB betragen. Die Luftschichtung mit nach oben abnehmender Temperatur tritt zumeist tagsüber auf, die Luftschichtung mit nach unten abnehmender Temperatur tritt meistens nachts auf.

Streuung

Ein Teil der Schallenergie wird beim Durchgang durch Turbulenz in der Atmosphäre gestreut. Streuung ist ein Mechanismus, mit dem Schallenergie in Schattenzonen eindringen kann, wie bei Aufwärtsbrechung. Gestreut werden Schallwellen vor allem dann, wenn ihre Wellenlänge die Größenordnung der Ausdehnung der Turbulenzelemente (Wirbel) hat.

Beugung (Diffraktion)

Beugung ist ein weiterer Mechanismus, mit dem Schallenergie in Schattenzonen eindringen kann, beispielsweise in abgeschattete Bereiche hinter einem Gebäude bzw. einer Lärmschutzwand. Lange niederfrequente Wellen werden stärker gebeugt als kurze, hochfrequente Wellen.

Reflexion am Boden

Datei:Reflexion dh.png
Verlauf der Schallstrahlen bei Reflexion am Boden

Treffen Schallwellen auf den Boden, so werden sie reflektiert. Je nach der akustischen Eigenschaft des Bodens (schallweich = niedrige Impedanz bzw. schallhart = hohe Impedanz) wird dabei mehr bzw. weniger Schallenergie im Boden absorbiert bzw. die reflektierte Welle phasenverschoben, sodass der Boden mehr oder weniger schalldämpfend wirkt. Lockerer, poröser Boden und frisch gefallener Schnee sind schallweich und damit stark dämpfend, während festgetretener Boden, Asphalt oder Beton schallhart und somit wenig dämpfend sind. Eine hohe Bodendämpfung wird vor allem bei schallweichem Boden und flachem Schalleinfall (Quelle und Empfänger in Bodennähe) erzielt, da hierbei die reflektierte Welle um nahezu eine halbe Wellenlänge phasenverschoben wird und somit die am Empfänger eintreffende direkte Welle durch destruktive Interferenz nahezu auslöscht.

Schallschatten

Eine Schallabschattung oder ein Schallschatten entsteht, wenn sich auf dem direkten Schallweg von der Schallquelle zum Hörer oder zum Mikrofon Hindernisse befinden.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

T in °C c in m/s t in ms
35 352,17 2,840
30 349,29 2,864
25 346,39 2,888
20 343,46 2,912
15 340,51 2,937
10 337,54 2,963
5 334,53 2,990
±0 331,50 3,017
−5 328,44 3,044
−10 325,35 3,073
−15 322,23 3,103
−20 319,09 3,134
−25 315,91 3,165

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c einer Schallwelle beträgt in Luft 343 m/s bei 20 °C; das sind etwa 1235 km/h. Sie nimmt mit der Wurzel aus der absoluten Temperatur T zu. Die für einen Meter benötigte Zeit t wird in Millisekunden (ms) angegeben.

Die Wellenfront benötigt also etwa 3 ms pro Meter. In einem homogenen Medium erfolgt die Ausbreitung entlang einer Geraden. Unter der Annahme einer punktförmigen Schallquelle erfolgt die Schwingungsanregung der Luftteilchen gleichmäßig nach allen Seiten des materieerfüllten Raumes. Das bedeutet, dass alle Teilchen, die die gleiche Entfernung von der Schallquelle haben, d. h. auf einer Kugeloberfläche liegen, deren Mittelpunkt die Schallquelle ist, sich im gleichen Erregungszustand (Verdichtung oder Verdünnung) oder in gleicher Phase befinden.

Schallwellen, die sich nach allen Seiten gleichmäßig ausbreiten, bezeichnet man daher als Kugelwellen.

Schallausbreitung in Flüssigkeiten

Siehe Wasserschall

Schallausbreitung in Festkörpern

Siehe Körperschall

Siehe auch

Weblinks

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