Schall

Schall legt in Luft bei 20 °C etwa 343 Meter pro Sekunde zurück. Hörst du den Donner 3 Sekunden nach dem Blitz, war der Blitzeinschlag also etwa 1 km entfernt.

Druckwellen in der Luft

Bewegt sich ein Trommelfell nach außen, verdichtet es die angrenzende Luft. Bewegt es sich zurück, entsteht ein Bereich mit etwas niedrigerem Druck. Diese Verdichtungen und Verdünnungen werden als Longitudinalwelle von Molekül zu Molekül weitergegeben. Die Luft an deinem Ohr ist nicht von der Trommel zu dir gewandert. Sie bewegt sich nur ein winziges Stück hin und her, während das Druckmuster weiterläuft. OpenStax erklärt, dass sich die Luftmoleküle beim leisesten für Menschen hörbaren Schall um weniger als einen Moleküldurchmesser hin und her bewegen.

Wie schnell ist Schall?

Bei einem Feuerwerk merkst du, dass Schall Zeit braucht: Zuerst siehst du den Lichtblitz, später hörst du den Knall. OpenStax gibt für die Schallgeschwindigkeit in Luft 331 m/s bei 0 °C und 343 m/s bei 20 °C an. Für Luft auf Meereshöhe gilt die Formel v = 331 m/s × √(T / 273 K), wobei T in Kelvin eingesetzt wird. In wärmerer Luft bewegen sich die Moleküle schneller und geben den Stoß schneller weiter. Der Effekt ist aber gering: Von 0 °C auf 20 °C steigt die Geschwindigkeit um weniger als 4%. Aus 343 m/s folgt eine praktische Faustregel: Schall braucht etwa 3 Sekunden für einen Kilometer. Zählst du die Sekunden zwischen Blitz und Donner, kannst du damit die Entfernung abschätzen.

In Flüssigkeiten und Festkörpern breitet sich Schall schneller aus als in Luft, weil sie sich viel schwerer zusammendrücken lassen. Die Geschwindigkeit hängt von der Steifigkeit und der Dichte des Materials ab: Je steifer, desto schneller; bei ähnlicher Steifigkeit ist das leichtere Material im Vorteil. OpenStax führt Werte für viele Materialien auf. Gummi ist wegen seiner geringen Steifigkeit eine Ausnahme mit niedriger Geschwindigkeit.

Tonhöhe, Hörbereich und Echos

Die Frequenz eines Schalls nehmen wir als Tonhöhe wahr. Menschen mit gutem Gehör hören gewöhnlich Frequenzen von etwa 20 Hz bis 20 000 Hz. Oberhalb dieses Bereichs spricht man von Ultraschall, darunter von Infraschall. Im hörbaren Bereich hängt die Geschwindigkeit kaum von der Frequenz ab. OpenStax veranschaulicht das mit einer Marschkapelle: Würden hohe Töne schneller laufen als tiefe, käme die Musik bei weit entfernten Zuhörenden aus dem Takt an. Das tut sie aber nicht.

Schall wird an harten Flächen reflektiert. Der zurückkehrende Schall ist ein Echo. Klatschst du vor einer Felswand in die Hände und hörst das Echo 2 Sekunden später, hat der Schall den Hin- und Rückweg zurückgelegt. Die Wand ist also 343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 m entfernt. Fledermäuse orten Insekten mit Echos. Medizinischer Ultraschall nutzt Echos sehr hoher Frequenzen aus dem Körperinneren. Weil die Wellenlängen hörbaren Schalls von Zentimetern bis zu vielen Metern reichen, wird Schall auch an Türöffnungen und Ecken gebeugt. Deshalb kannst du jemanden im Nachbarzimmer hören, ohne die Person zu sehen.

Lautstärke und Dezibel

Die Lautstärke hängt mit der Intensität der Welle zusammen, also der Leistung, die sie pro Quadratmeter überträgt. Das Ohr erfasst einen riesigen Bereich: Der leiseste hörbare Schall bei 1000 Hz hat eine Intensität von etwa 10⁻¹² W/m². Schall, der das Gehör in Sekunden schädigt, ist etwa 10¹²-mal so intensiv. Damit die Zahlen handhabbar bleiben, verwendet man die Dezibelskala: β = 10 log₁₀(I / I₀) mit I₀ = 10⁻¹² W/m². Eine Verzehnfachung der Intensität erhöht den Pegel um 10 dB, eine Verdopplung um etwa 3 dB. OpenStax nennt für ein normales Gespräch ungefähr 60 dB und für ein lautes Rockkonzert etwa 120 dB, die Schmerzschwelle. Eine Fußnote ergänzt, dass mehrere Behörden und Gesundheitsorganisationen empfehlen, ohne Gehörschutz 85 dB für 8 Stunden am Tag nicht zu überschreiten.