Sound: Definition, Typen, Eigenschaften und Frequenzen

Klang ist überall um uns herum. Wir nutzen unseren Klangsinn, um unsere Umwelt zu navigieren, zu kommunizieren und Musik zu genießen. Aber was ist Schall? Wie wird es hergestellt und wie wird es von einem Ort zum anderen übertragen?

Schall ist eine Art mechanischer Welle oder eine Schwingung von Materie. Eine Welle ist eine Störung, die sich in einem Medium von einem Ort zum anderen ausbreitet. Der Schlüssel hierbei ist, dass die Punkte im Medium an Ort und Stelle schwingen, während die Störung selbst wandert.

Betrachten Sie zum Beispiel eine Welle, die von einer Menschenmenge bei einem Ballspiel gemacht wird. Als Wellenmedium dienen die Ventilatoren in ihren Sitzen. Einzeln stehen sie auf, heben die Arme und setzen sich wieder hin – sie schwingen auf der Stelle. Die Störung breitet sich jedoch rund um das Stadion aus.

Schwingungen in einem Medium treten in der Regel in einer von zwei Varianten auf: Transversale Wellen schwingen im rechten Winkel zur Richtung von Bewegung (wie beim Publikum im Stadion oder eine Welle an einer Schnur) und Längswellen schwingen parallel zur Richtung Reise.

Schallwellen sind Longitudinalwellen. Wenn sich eine Schallwelle durch ein Medium wie Luft ausbreitet, bewirkt sie, dass die Luftmoleküle in Schwingung versetzt werden, was zu Veränderungen im Luftdruck, was zu Kompressionen (Regionen mit hohem Druck) und Verdünnungen (Regionen mit niedrigem Druck) in der Luft als Welle führt Reisen.

Stellen Sie sich eine Spielzeugfeder wie einen Slinky vor, der über einen Tisch ausgestreckt ist und von einer Person an beiden Enden gehalten wird. Wenn eine Person den Slinky zu sich selbst zupft, sendet er eine Longitudinalwelle den Slinky hinunter. Sie werden Regionen der Slinky-Spulen sehen, die enger beieinander liegen (Kompressionen) und lockerer beieinander liegen (Rarefactions). Jeder Punkt im Slinky oszilliert hin und her, während sich die Störung von einem Ende zum anderen bewegt.

Genau dies geschieht wiederum mit Schallwellen in der Luft oder einem anderen Medium.

Wie bei jeder anderen Welle werden Schallwellen durch eine anfängliche Störung oder Vibration erzeugt. Eine angeschlagene Stimmgabel schwingt beispielsweise auf einer bestimmten Frequenz. Während es sich bewegt, stößt es auf die Luftmoleküle um es herum und komprimiert sie periodisch.

Die komprimierten Bereiche übertragen diese Energie auch auf ihre benachbarten Luftmoleküle und die Störung bewegt sich durch die Luft, bis sie erreicht Ihr Ohr, an welchem ​​Punkt es Energie an Ihr Trommelfell überträgt, das mit der gleichen Frequenz vibriert – und von Ihrem Gehirn interpretiert wird als Klang.

Wenn Sie sprechen, vibrieren Sie Ihren Kehlkopf (ein kleines hohles Rohr oben an Ihrer Luftröhre), der wiederum die Luft um ihn herum vibriert, die dann die Schallenergie an den Zuhörer weiterleitet. Indem Sie das Gewebe in Ihrem Kehlkopf zusammenziehen und ausdehnen sowie die Artikulatoren in Ihrem Mund (Ihre Lippen, Zunge und andere Mundstrukturen) manipulieren, können Sie verschiedene Geräusche erzeugen.

Alle Objekte können Schallquellen sein, die auf die gleiche Weise Schall erzeugen – indem sie vibrieren und diese Schwingungen auf ein benachbartes Medium, beispielsweise die Luft, übertragen.

In trockener Luft breitet sich Schall mit einer Geschwindigkeit von aus

woT_cist die Temperatur in Celsius. An einem Standardtag von 20 Grad Celsius (68 Grad Fahrenheit) breitet sich Schall mit etwa 343,4 m/s aus. Das sind ungefähr 768 Meilen pro Stunde!

Die Schallgeschwindigkeit ist in verschiedenen Medien unterschiedlich. Zum Beispiel kann die Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle im Wasser ausbreitet, größer als 1.437 m/s sein; in Holz 3.850 m/s; und in Aluminium über 6.320 m/s!

Als allgemeine Regel gilt, dass sich Schall in Materialien schneller ausbreitet, in denen die Moleküle näher beieinander liegen. Es bewegt sich am schnellsten in Feststoffen, am zweitschnellsten in Flüssigkeiten und am langsamsten in Gasen.

Sie können ein einfaches Experiment durchführen, um die Schallgeschwindigkeit zu messen. Dazu benötigen Sie eine Schallquelle (das kann eine Stimmgabel, ein Händeklatschen oder Ihre eigene Stimme sein) und ein reflektierendes a in einem bekannten Abstand von der Quelle auftauchen (z. B. eine massive Felswand mehrere Meter vor Ihnen oder das geschlossene Ende einer einfachen Tube).

Vorausgesetzt, Sie verfügen über eine Ausrüstung (und/oder Reflexe, die schnell genug ist), die den Zeitraffer zwischen der Tonausgabe und dem Zeitpunkt messen kann es über ein Echo von der reflektierenden Oberfläche zum Quellort zurückkehrt, haben Sie genügend Informationen, um die Geschwindigkeit.

Nehmen Sie einfach den doppelten Abstand von der Quelle zur reflektierenden Oberfläche (da der Schall von der Quelle an die Oberfläche und dann wieder zurück) und dividiere sie durch die Zeit zwischen Schallemission und Echo.

Nehmen wir als Beispiel an, Sie schreien in eine 200 m tiefe Schlucht und erhalten in 1,14 Sekunden ein Echo zurück. Die Schallgeschwindigkeit wäre 2 × 200 / 1,14 = 351 m/s.

Sie kennen vielleicht das Phänomen, dass bestimmte Flugzeuge die Schallmauer durchbrechen. Das bedeutet, dass das Flugzeug schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt. In dem Moment, in dem es diese Geschwindigkeit überschreitet, erzeugt es einen Überschallknall.

Ein Flugzeug, das um reistMach 1ist mit Schallgeschwindigkeit unterwegs. Mach 2 ist die doppelte Schallgeschwindigkeit und so weiter. Das schnellste Flugzeug der Welt war die North American X-15, die am 3. Oktober 1967 eine Geschwindigkeit von Mach 6,7 erreichte.

An Land wurde die Schallgeschwindigkeit am 15. Oktober 1997 von Andy Green gebrochen, der in einem ThrustSSC-Jetcar in der Black Rock Desert in Nevada 763.035 Meilen pro Stunde fuhr.

Die Frequenz einer Welle ist die Anzahl der Schwingungen, die an einer bestimmten Stelle des Mediums pro Sekunde auftreten. Es wird in Einheiten von Hertz (Hz) gemessen, wobei 1 Hz = 1/s ist. Die Wellenlänge einer Schallwelle ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen maximaler Kompression. Sie wird normalerweise in Meter (m) gemessen.

Die Geschwindigkeit einer Schallwelle,v,steht in direktem Zusammenhang mit der FrequenzfWellenlänge Lambda überv = f​.

Die Schallgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium hängt nicht von Frequenz oder Wellenlänge ab, sondern ist eine Konstante dieses bestimmten Mediums. Die Frequenz einer Schallwelle entspricht immer der Frequenz der Schallquelle, ist also nicht vom Medium oder der Wellengeschwindigkeit abhängig.

Daher sind in zwei verschiedenen Medien die Frequenzen gleich, während die Geschwindigkeiten medienspezifisch sind und die Wellenlängen entsprechend variieren. (Hohe Frequenz entspricht kleinen Wellenlängen und umgekehrt.)

Frequenzbereiche, die normalerweise vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden, reichen von 64 Hz bis 23 kHz, obwohl Menschen mit zunehmendem Alter ihre Fähigkeit verlieren, die höheren Frequenzen zu hören. Im Gegensatz dazu können Hunde bis etwa 45 kHz hören (weshalb sie auf Hundepfeifen reagieren die für den Menschen nicht hörbar sind), können Katzen bis zu 64 kHz und Schweinswale bis zu 150. hören kHz!

Sie haben zweifellos dieses Zitat aus dem Film von 1979 gefundenAußerirdischer, und es stimmt: Schall bewegt sich nicht im Vakuum. Dies liegt daran, dass es ein Medium benötigt. Zwischen der Schallquelle und Ihnen muss sich etwas Material befinden, damit sich der Schall ausbreiten kann.

Also all diese Weltraumschlachtszenen, die Sie in Filmen mit den lauten Explosionen sehen? Völlig falsch! Es würde keinen Ton geben, weil es kein Medium gibt, durch das es reisen könnte.

Schallintensität,ich, ist die Schallleistung pro Flächeneinheit. Die SI-Einheit für die Schallintensität ist Watt/m² woich₀​ = 10^-12 W/m² gilt als die Schwelle für das menschliche Gehör. Umgangssprachlich ist die Schallintensität das, was wir als „Lautstärke“ eines Klangs bezeichnen.

Eine übliche Methode zur Darstellung der wahrgenommenen Lautstärke von Geräuschen ist die Verwendung der Dezibel (dB)-Skala, wobei die Schallintensität in Dezibel angegeben wird:

Diese Skala ist nützlich, da Menschen die Lautstärke nicht linear wahrnehmen. Das heißt, ein Ton mit doppelter Intensität kann mehr als doppelt so laut erscheinen, wenn er leise beginnt, und weniger als doppelt so laut, wenn er bereits etwas laut beginnt. Die Dezibelskala liefert Zahlen, die unserer Wahrnehmung besser entsprechen.

Das Geräusch der Lichtatmung liegt bei etwa 10 dB, während das Gespräch in einem Restaurant etwa 60 dB beträgt. Ein Jet-Überflug auf 1.000 Fuß beträgt etwa 100 dB. Ein grenzwertiger schmerzhafter Donnerschlag liegt bei 120 dB und Ihr Trommelfell platzt bei 150 dB.

Die Energie einer Schallwelle steht in direktem Zusammenhang mit der Intensität. Die Einheiten der Intensität, W/m², sind gleich J/(sm²) oder Energie in Joule pro Sekunde pro Quadratmeter.

Denken Sie daran, dass die Schallgeschwindigkeit nur vom Medium und nicht von der Frequenz der Welle abhängt. Das ist auch gut so, denn sonst wäre das Hören eines Konzerts eine schreckliche Erfahrung, da verschiedene Musiknoten Sie nicht in der richtigen Reihenfolge erreichen.

Unterschiedliche Tonfrequenzen entsprechen unterschiedlichen Tonhöhen oder Musiknoten. Wenn ein Sänger singt, erzeugt er unterschiedliche Frequenzen, indem er die Größe und Form seines Kehlkopfes ändert. Musikinstrumente sind so konzipiert, dass sie reinen Klang erzeugen, indem sie typischerweise stehende Wellen erzeugen, sei es in einer Röhre oder einem Rohr oder entlang einer Saite.

Betrachten Sie ein Saiteninstrument wie eine Gitarre. Die Frequenz, mit der eine gezupfte Saite schwingt, hängt von ihrer Massendichte (wie viel Masse pro Längeneinheit), der Spannung der Saite (wie fest sie gehalten wird) und ihrer Länge ab. Wenn Sie sich eine Gitarre ansehen, werden Sie feststellen, dass jede Saite eine andere Dicke hat. Mit den Stimmknöpfen am Ende des Griffs können Sie die Saitenspannung einstellen und die Bünde geben Ihnen Stellen Sie Ihre Finger auf, um die Saitenlänge während des Spiels zu ändern, sodass Sie viele verschiedene Anmerkungen.

Holzblasinstrumente hingegen bestehen aus hohlen Röhren, in denen stehende Wellen in Luftsäulen erzeugt werden können (genau wie in Ihrem Kehlkopf). Die verschiedenen Tonlöcher eines solchen Instruments ermöglichen es Ihnen, die Arten von stehenden Wellen, die sich bilden können, und damit die spielbaren Noten zu ändern.

Bei einem Instrument wie einer Posaune können Sie auch die Röhrenlänge anpassen, indem Sie den Schieber hin und her bewegen, um stehende Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen und damit unterschiedliche Töne zu spielen.

Perkussive Instrumente, wie Schlagzeug, beruhen auf Schwingungen einer Membran (wie einem Trommelfell). Ähnlich wie beim Zupfen der Saiten einer Gitarre bilden sich beim Anschlagen des Trommelfells an verschiedenen Stellen auf der Membran stehende Wellen, die einen Klang erzeugen. Die Frequenz und Qualität des Klangs hängt von der Größe der Membran, ihrer Dicke und Spannung ab.