Thema: Schall
 

Thema
Schall

Enleitung

Da oben im Bild hat es „BOOM“ gemacht. Also geknallt. Und darum geht es auf dieser Seite: um Geräusche, Töne und um den Schall. Das Wort „Schall“ hast du bestimmt schon einmal gehört. Da gibt es Schallgeschwindigkeit, Schallmauer, Überschall, Ultraschall, Schallplatte usw. (na ja, das letzte Wort ist vielleicht eher etwas für deine Großeltern …). Doch was ist denn überhaupt Schall? Wie breitet sich der Schall aus und was ist eine Schallmauer? Am Ende dieser Seite weißt du es!

Zwei Arten von Wellen

Ob du in die Hände klatschst oder etwas rufst oder die Saiten einer Gitarre zupfst: Immer versetzt du damit Luftteilchen in Bewegung. Bild: K.-A.

Schall breitet sich in Wellen aus. Stell dir vor, wie du in die Hände klatschst. Oder mach es einfach eben mal. Dabei setzt du die Luftteilchen um deine Hände herum in Bewegung. Sie stoßen die nächsten Luftteilchen an, die wieder andere „anschubsen“, bis schließlich die Luftteilchen um deinen Kopf herum angestoßen werden und im Ohr an dein Trommelfell „klopfen“. So ist die Schallwelle von deinen Händen bis zu deinem Ohr gewandert.

Schallwelle? Wieso eigentlich „Welle“? Tja, das ist ein wichtiger Begriff und das schauen wir uns mal als erstes an.

In der Physik unterscheidet man zwischen zwei Wellenarten. Vereinfacht gesagt: Bei der einen Welle bewegen sich die kleinen Teilchen, aus denen die Luft und auch alles andere besteht, hoch und runter. Man sagt auch: Die Teilchen schwingen. Bei der anderen Welle schwingen sie ebenfalls, allerdings nicht hoch und runter, sondern seitlich hin und her.

Untersuchen wir das mal noch etwas genauer: Eine Welle entsteht immer dann, wenn Teilchen in Schwingung versetzt werden und ihre Nachbar-Teilchen dazu anregen ebenfalls zu schwingen. Ein einfaches Beispiel: Ein Stein fällt ins Wasser. Er versetzt dabei die Wasserteilchen in Bewegung. Und es entstehen Wellen. Die Richtung, in die sich die Teilchen dabei bewegen, nennt man Schwingungsrichtung. Und die Richtung, in die sich die ganze Welle ausbreitet, nennt man Ausbreitungsrichtung.

Es gibt nun zwei Möglichkeiten: Entweder breitet sich die Welle in dieselbe Richtung aus, in der auch die Teilchen schwingen – das nennt man Längswelle (Longitudinalwelle). Oder die Welle breitet sich quer, also seitlich zur Schwingungsrichtung der Teilchen aus – das nennt man dann Querwelle (Transversalwelle).

Klingt kompliziert? Wir machen es mal an einigen Beispielen deutlich. Fangen wir mit einer Querwelle an – und zwar im Fußballstadion.

Eine La-Ola-Welle in einem Fußballstadion.

Du kennst bestimmt eine La-Ola-Welle, wie sie das Publikum manchmal in einem Fußballstadion macht. Die La-Ola-Welle ist ein sehr anschauliches Beispiel für eine Querwelle. Stell dir die Arme der Menschen als Teilchen vor: Sie bewegen sich an Ort und Stelle immer nur auf und ab, aber die Welle breitet sich seitlich aus und läuft ums ganze Stadion herum. Die Ausbreitungsrichtungsrichtung der Welle ist also quer zur Schwingungsrichtung der Teilchen: Es ist eine Querwelle.

Jetzt im Unterschied dazu eine Längswelle – wieder mit Personen als Teilchen. Und zwar mit dir und eurer Klasse oder einigen Freunden. Das könnt ihr nämlich selbst ganz leicht ausprobieren – oder du stellst es dir eben nur mal in Gedanken vor. Dabei steht ihr alle in einer Reihe, alle eng nebeneinander und Schulter an Schulter. An einem Ende der Reihe schubst eine Person die nächste leicht an. Der „Schubs“ wird durch die Schulter an den Nachbarn übertragen, der die nächste Person anschubst und immer so weiter. Ihr seid in diesem Beispiel die Teilchen. Jedes Teilchen bewegt sich hier beim Schubsen zur Seite und die Welle macht das ebenfalls: Sie breitet sich also in derselben Richtung aus. Das ist daher eine Längswelle.

Und um zum Thema Schall zu kommen: Auch Schallwellen sind solche Längswellen. Aber welche Teilchen geben dabei den „Schubs“ weiter? Oben haben wir es schon verraten: Es sind die Luftteilchen. Meistens jedenfalls. Und das betrachten wir als nächstes …

Ohne Teilchen keine Welle

Wenn Frösche quaken, hört man das. Und wie dieses Bild zeigt, sieht man es manchmal auch. Denn dabei wird auch das Wasser in Bewegung versetzt. Aber ob durch die Luft oder durchs Wasser: Eine Welle braucht immer ein Medium, um sich zu bewegen. Bild: K.-A.

Jetzt weißt du, worin sich die beiden Wellenarten unterscheiden. Und du hast sicher auch bemerkt: Da spielen immer die Teilchen eine Rolle. Tatsächlich brauchen fast alle Wellen Teilchen, um sich ausbreiten zu können. Nun können die Teilchen näher aneinander sein oder auch weiter voneinander entfernt. Wenn ihr den „Anschubs-Versuch“ mit eurer Klasse noch einmal macht, aber jetzt die Abstände zwischen den einzelnen Personen vergrößert, dann wird sich der „Schubs“ mit einer geringeren Geschwindigkeit ausbreiten als davor. Jeder von euch braucht ja jetzt länger, um den Nachbarn anzuschubsen – einfach, weil der Abstand größer ist. Und dadurch ist auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der ganzen Welle langsamer. Wenn ihr die Abstände noch weiter vergrößert, wird der Schubs irgendwann gar nicht mehr am Ende der Reihe ankommen – denn ihr berührt eure Nachbarn jetzt nicht mehr. Das bedeutet: Je näher die Teilchen aneinander sind, umso schneller breitet sich eine Welle aus. Und je weiter sie voneinander entfernt sind, umso langsamer breitet sich die Welle aus. Wenn aber gar keine Teilchen vorhanden sind, gibt es auch gar keine Welle.

Das ist auch bei Schall so. Er breitet sich in der Regel in der Luft aus. Wenn keine Luft vorhanden ist, kann sich eine Schallwelle auch nicht ausbreiten. Wo das so ist? Na, zum Beispiel im Weltall. Da gibt es keine Luft und das nennt man ein Vakuum. Und im Vakuum kann der Schall nicht übertragen werden.

Die Schallgeschwindigkeit

Die Luft, die den Schall überträgt, bezeichnet man auch als Medium. Ein anderes Medium ist zum Beispiel Wasser. Luft ist ein Gas, Wasser ist flüssig. Gasförmig und flüssig – das sind die sogenannten Aggregatzustände, zu denen außerdem auch noch „fest“ gehört. Wenn du dich noch nicht so gut mit Aggregatzuständen auskennst, kannst du unser Lernmodul dazu durchlesen!

Also: Bei der Schallwelle ist das Medium normalerweise die Luft. Wenn du sprichst oder singst, stoßen deine Stimmbänder die Luftteilchen an, die dann wieder ihre Nachbarn anstoßen, die ihre Nachbarn anstoßen und immer so weiter. So breitet sich die Schallwelle in alle Richtungen aus. Die Schallwelle kommt an einem Ohr an, die Luftteilchen bewegen das Trommelfell und man hört den Schall. Dabei ist der Schall sehr schnell unterwegs: Er legt ca. 330 Meter in einer Sekunde zurück. Das sind umgerechnet 1.200 Kilometer pro Stunde und das bezeichnet man als Schallgeschwindigkeit.

Mit diesem Wissen kannst du leicht berechnen, wie weit ein Gewitter von dir entfernt ist. Sobald du einen Blitz am Himmel siehst, fang langsam an zu zählen, bis du den Donner hörst. Nehmen wir mal an, dass es 10 Sekunden dauert. Da der Schall in jeder dieser 10 Sekunden 330 Meter zurücklegt, legt er insgesamt 10 mal 330 Meter zurück, also 3.300 Meter. Der Blitz war also 3,3 Kilometer von dir entfernt!

Wer die Schallgeschwindigkeit kennt, kann einfach berechnen, wie weit ein Gewitter entfernt ist.

So, jetzt kannst du mit dem Lesen erst einmal eine Pause einlegen. Sieh dir nun das Video mit Sina an. Sie erklärt dabei eine ganze Menge zum Thema Schall und Wellen – auch die Sache mit dem Gewitter und mit den Wellenarten. So kannst du all das, was wir bisher behandelt haben, nochmal wiederholen und sicher noch besser verstehen. Danach schauen wir uns noch einige andere spannende Dinge rund um dieses Thema an.

Und weiter geht’s. Wobei wir als erstes noch eine Sache erklären müssen. Wir hatten gesagt, dass sich eine Welle umso schneller ausbreitet, je näher die Teilchen aneinander sind. In dem Beispiel vom Anschubsen wurde das ja auch deutlich: Steht ihr eng nebeneinander, schubst ihr euch schneller an, als wenn ihr größere Abstände zu euren Nachbarn habt und die Welle langsamer unterwegs ist. Wenn wir jetzt überlegen, wie sich eine Schallwelle in der Luft und im Vergleich dazu im Wasser ausbreitet, dann würde das ja bedeuten: Im Wasser, wo die Teilchen viel enger beieinander sind als in der Luft, müssten sich Schallwellen schneller ausbreiten als in der Luft. Und genau so ist es! In der Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit 1.200 Kilometer pro Stunde, im Wasser liegt sie bei über 1.400 Kilometer pro Stunde. Und wie sieht die Sache wohl aus, wenn Schall über einen festen Körper übertragen wird? Zum Beispiel beim Dosentelefon, das Sina auch vormacht? Da wird der Schall ja durch die Schnur übertragen – und die ist bekanntlich kein Gas und auch keine Flüssigkeit, sondern fest (man sagt auch ein Festkörper). Oder wenn der Schall aus der Nachbarwohnung durch die Mauern und Decken übertragen wird? Tatsächlich ist die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern noch größer als in Luft oder Wasser, wobei das immer vom Material abhängt.

Mit den Ohren sehen

Du wunderst dich vielleicht, was die Überschrift bedeuten soll. „Mit den Ohren sehen“? Gemeint ist damit, dass sich manche Tiere wie etwa Fledermäuse anhand von Tönen so orientieren, wie wir es mit unseren Augen tun. Dabei geht es um Töne, die wir Menschen überhaupt nicht wahrnehmen können. Auch Wale und Delfine sind dazu in der Lage und hören, was für uns unhörbar ist. Das alles hat mit den sogenannten Frequenzen zu tun und dazu kommen wir jetzt. Im Video hat Sina ja erklärt, dass eine Schallwelle eine Tonhöhe („Frequenz“ genannt) und eine Lautstärke (Amplitude) besitzt. Die Frequenz besagt, wie eng die Wellen aufeinander folgen. Kurze Abstände zwischen den Wellen bedeuten hohe Töne, lange Abstände tiefe Töne.

Wir Menschen können nicht alle Tonhöhen wahrnehmen. Je nach Alter können wir von ganz tiefen Tönen mit 20 Hz bis zu hohem Fiepen von 20.000 Hz hören. „Hz“ ist die Abkürzung für Hertz und gibt die Frequenz an. In diesem Video kannst du Töne verschiedener Frequenzen anhören.

Das Video kann nur bei entsprechenden Cookie-Einstellungen abgespielt werden.

Es geht dabei nicht um einen Hörtest, sondern vielmehr darum, dass du ein Gespür dafür bekommst, wie sich die Tonhöhen anhören – oder eben auch nicht. Denn wundere dich nicht, wenn du am Anfang nichts hörst: Da sind die Frequenzen zu Beginn des Videos so niedrig, dass wir Menschen diese Töne gar nicht wahrnehmen können. Und am Ende des Videos sind sie so hoch, dass es ebenfalls außerhalb unseres menschlichen Hörbereichs liegt. Aber wenn wir Menschen Töne einer bestimmten Frequenz nicht hören können, bedeutet das natürlich nicht, dass es sie nicht gibt! Tatsächlich gibt es Lebewesen, die diese Töne wahrnehmen können.

Eine Fledermaus kann sich mit Hilfe von Ultraschall orientieren.

Das ist zum Beispiel bei Fledermäusen so. Sie nutzen die Ohren, um sich zu orientieren und Insekten zu fangen. Dazu senden sie Ultraschall-Laute aus. Ultraschall nennt man Töne, die so hoch sind, dass wir Menschen sie nicht mehr hören können. Bei Fledermäusen können das Töne von bis zu 200.000 Hz sein – für uns „unhörbar“, für Fledermäuse kein Problem. Die Ultraschal-Laute prallen an Wänden, Gegenständen und Beute ab und ein Echo kehrt zur Fledermaus zurück. Aus der Zeit, die der Ultraschall-Laut braucht, um wieder am Ohr der Fledermaus anzukommen, kann sie abschätzen, wie weit ein Objekt entfernt ist. So kann sich die Fledermaus in völliger Dunkelheit orientieren, Hindernissen ausweichen und Beute jagen. Auch Delfine, Wale und andere Tiere machen es ähnlich.

Medizinische Geräte senden Ultraschallsignale aus und machen das Echo für uns sichtbar.

Wir Menschen haben dieses Prinzip von den Tieren abgeguckt und nutzen es mithilfe von technischen Geräten – zum Beispiel in der Medizintechnik. Denn solche Ultraschall-Geräte findet man häufig in Arztpraxen. Sie funktionieren so ähnlich wie das Fledermaus-Echo. Ein Signal wird ausgesandt und das Echo wird danach in Bilder verwandelt, auf denen wir dann beispielsweise einen Embryo im Bauch der Mutter erkennen können. Mit einer ähnlichen Methode „schauen“ Schiffe und U-Boote sich den Meeresgrund oder Fischschwärme an.

Der Doppler-Effekt

Ein Notarztwagen fährt an dir vorbei und dabei passiert mit den Tönen der Sirene etwas Eigenartiges … Bild: Wikipedia/Ingolfson

Bei den Frequenzen gibt es einen besonderen Effekt, den Sina im Video demonstriert hat und den du bestimmt auch schon erlebt hast: Wenn ein Krankenwagen mit eingeschalteter Sirene an dir vorbeifährt, ändert sich die Tonhöhe. Das nennt man „Doppler-Effekt“. Er entsteht dadurch, dass die Schallwellen zusammengestaucht werden, wenn der Krankenwagen auf dich zukommt. Dadurch nimmst du einen höheren Ton wahr. Wenn der Wagen an dir vorbeigefahren ist und sich von dir, ist es genau umgekehrt: Denn dann werden die Schallwellen gedehnt und du nimmst einen tieferen Ton wahr.

Die Schallmauer

Ein Flugzeug beim „Durchbrechen der Schallmauer“.

Ein Phänomen, das bei ganz schnellen Flugzeugen und auch bei Raketenstarts auftritt, ist die sogenannte Schallmauer. Wie du jetzt schon weißt, ist die Schallgeschwindigkeit in der Luft ca. 1.200 km/h (die Abkürzung steht für Kilometer pro Stunde). Wenn ein Flugzeug schnell fliegt, „schiebt“ es die Schallwellen und auch die Luft vor sich immer mehr zusammen. An der Spitze des Flugzeugs entsteht dadurch ein Gebiet mit hohem Druck, da sich dort immer mehr und mehr Luftteilchen befinden. Wenn das Flugzeug dann mit Überschallgeschwindigkeit – also schneller als die Schallgeschwindigkeit – fliegt, stößt es mit der Spitze durch dieses hohe Druckgebiet: Es durchbricht die Schallmauer! Und dann passiert es: Vor dem Flugzeug sinkt der Druck schlagartig ab – als ob ein Luftballon platzt, in dem ja vorher auch ein höherer Druck geherrscht hat, der dann von einer Sekunde zur anderen plötzlich absinkt. Und das Durchbrechen der Schallmauer kann man dann als lauten Knall hören.

Dabei geschieht manchmal etwas sehr Spektakuläres: Der plötzliche Wechsel vom hohen zum niedrigen Druck lässt den Wasserdampf in der Luft schlagartig kondensieren. Das ist eine etwas komplizierte Sache. Sie hat damit zu tun, wieviel Feuchtigkeit die Luft speichern kann und wann es zu viel wird. Dann verwandelt sich die Feuchtigkeit in der Luft, die man vorher gar nicht erkennen konnte, in einzelne Wassertröpfchen, die einen feinen Nebel oder eine Wolke bilden, was man plötzlich sehen kann. So entstehen beim Durchbrechen der Schallmauer manchmal ringförmige Wolken und es sieht so aus, als ob das Flugzeug eine „Wolke“ durchbricht, die vorher gar nicht da war.

Du kannst dazu zu Hause folgendes Experiment ausprobieren: Nimm eine Flasche mit Mineralwasser und schüttele sie vorsichtig. In der Flasche ist jetzt ein erhöhter Druck – wie vorne am Flugzeug. Wenn du nun die Flasche schnell öffnest, verringert sich der Druck – wieder wie beim Flugzeug, wenn es die Schallmauer durchbricht. Und wenn du jetzt oben an der Flasche genau hinschaust, entsteht da im Flaschenhals manchmal auch eine „Wolke“ oder zumindest ein leichter Nebel.

Schall in der Forschung

Diese Grafik zeigt, wie sich Schallwellen gegenseitig ausgleichen. Eine Schallquelle wird hier in blauen Farbtönen dargestellt, die zweite in der orangefarbenen gepunkteten Kurve. Dabei trifft immer ein blauer Berg mit einem orangefarbenen Tal zusammen oder umgekehrt ein blaues Tal mit einem orangefarbenen Berg – und das gleicht sich so aus. Bild: DLR

Bei Flugzeugen sind wir auch schon mitten in einem großen Thema der Forschung: Dabei geht es darum, Flugzeuge leiser zu machen. Wenn man eine Passagiermaschine von heute mit früheren Fliegern vergleicht, ist da zwar schon sehr viel erreicht worden. Aber die Fachleute im DLR sind sicher, dass es da noch weitere Verbesserungsmöglichkeiten gibt.

Wenn Wellenberge und Wellentäler aufeinandertreffen und sich überlagern, gleicht sich das aus. Hier siehst du das an Wellen in einer Pfütze, aber so ähnlich funktioniert das auch bei Schallwellen. Bild: K.-A.

In einem Forschungsprojekt geht es zum Beispiel darum, den Schall mit „Antischall“ zu bekämpfen. Was das ist? Da wird der Schall praktisch mit seinen eigenen Waffen geschlagen. Du erinnerst dich ja sicher, wie wir oben die Ausbreitung von Schallwellen beschrieben haben. Wie bei Wellen üblich gibt es da Wellenberge und Wellentäler. Stell dir mal eine Geräuschquelle – etwa das Triebwerk eines Flugzeugs – vor, von der solche Schallwellen mit Bergen und Tälern ausgehen. Und nun stell dir zusätzlich eine zweite Schallquelle vor. Von ihr gehen ebenfalls Wellenberge und Wellentäler aus. Aber ihre Wellenberge treffen genau auf die Täler der anderen Welle. Und ihre Täler auf die Berge der ersten Welle. Durch diese geschickte Überlagerung gleicht sich das überall aus. Ein Berg trifft auf ein Tal, ein Tal trifft auf einen Berg – und das Ergebnis ist „null“. Kein Krach, kein Lärm – einfach nichts. Tatsächlich ist das deutlich komplizierter als wir es hier eben mal so erklären können – aber das Prinzip hast du damit schon mal kennengelernt.

Das sind zwei Abbildungen, die den Lärmteppich eines Hubschraubers zeigen. Orangefarbene und gelbe Farbtöne zeigen, wo der Lärm des Hubschraubers am Boden laut zu hören ist. In den grün und blauen dargestellten Gebieten hört man weniger Geräusche. Links ist die Situation mit normalen Hubschraubern zu sehen, rechts sorgen neue Technologien für weniger Lärm. Bilder: DLR

Auch an vielen anderen Lösungen wird geforscht, um den Fluglärm zu bekämpfen. Da ist zum Beispiel die Sache mit dem „Lärmteppich“. Ein echter Teppich ist das natürlich nicht. Der Begriff bezeichnet vielmehr den Bereich auf dem Boden, der vom Lärm eines Flugzeugs oder eines Hubschraubers erreicht wird – also wo man den Flieger beziehungsweise Helikopter hört. Damit dieses Gebiet so klein wie möglich ist, erprobt das DLR neue Anflugverfahren: Dabei umfliegt ein Flugzeug im Landeanflug die bewohnten Gebiete in großen Kurven, statt einfach geradeaus über die Hausdächer zu fliegen. Oder es setzt erst später zum sogenannten Sinkflug an, wenn es sich der Landebahn nähert – und auch dann werden weniger Anwohner belästigt, weil das Flugzeug dadurch länger in großen Höhen bleibt, sodass es kaum zu hören ist. Nun kann ein Pilot oder eine Pilotin natürlich nicht einfach eine andere Flugroute nehmen und mal eben in Kurven um Orte herumfliegen oder später mit dem Sinkflug beginnen. Sondern für all diese Verfahren sind ausführliche Tests und Genehmigungen nötig. Denn in der Luftfahrt steht die Sicherheit an erster Stelle. Das gilt auch für Hubschrauber, wo neue Technologien den Lärm der Rotoren vermindern helfen. Auch das wird im DLR erst sorgfältig getestet, bevor es zum Einsatz kommt. Aber auch wenn das alles kompliziert ist und genau erprobt werden muss, sind viele Forscherinnen und Forscher tagtäglich dabei, weitere Fortschritte auf dem Weg zum „flüsternden Flugzeug“ und zu leiseren „Helis“ zu machen.

Quiz

Jetzt weißt du schon mal eine Menge über Schallwellen und wie sie sich ausbreiten. Wie immer findest du hier zum Schluss ein kleines Quiz – mal sehen, ob wir alles so gut erklärt haben, dass du es verstehen konntest. Die Antworten gibt’s hier – aber erst später nachsehen, weil das Quiz ja sonst keinen Spaß macht!

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