Schallausbreitung

Ausbreitung von Schall

Inzwischen wissen wir:

Schall entsteht durch Schwingungen. Doch wie gelangen die Schwingungen eines Körpers zu unseren Ohren?

Um dies zu untersuchen, führen wir folgenden Versuch durch:

Versuch

Ein Tamburin wird vor eine brennende Kerze gehalten. Dann wird das Tamburin angeschlagen.

Beobachtung:

Die Kerze flackert oder geht aus. Durch das Anschlagen des Tamburins wurde Luft vom Tamburin zur Kerze bewegt, die die Kerzenflamme bewegt hat.

Erklärung:

Durch das Anschlagen des Tamburins wird die Membran schnell eingedrückt. Die dahinter befindliche Luft wird dadurch komprimiert (verdichtet). Beim Zurückschwingen der Membran passiert das Gegenteil – die Luft wird verdünnt. Die Verdichtungen und Verdünnungen breiten sich innerhalb der Luft als Schallwelle in alle Richtungen aus.

Damit sich Schall ausbreiten kann, muss also ein Stoff vorhanden sein, der sich verdichten und verdünnen lässt. Ohne Stoff, also im luftleeren Raum (Vakuum), kann sich Schall nicht ausbreiten.

Schall kann auch zurückgeworfen (reflektiert) werden. Wenn Schall z.B. auf eine Felswand trifft, wird er dort reflektiert und kommt als Echo zurück – man hört den Ton noch einmal.

Kann sich Schall auch in anderen Stoffen ausbreiten?

Stellt man eine Schallquelle, z.B. eine tickende Uhr, auf einen Tisch und drückt ein Ohr auf die Tischplatte, so stellt man fest:

Der Schall ist sogar lauter zu hören. Der Schall breitet sich also auch in der Tischplatte aus.

Sicher hast Du schon einmal im Schwimmbad festgestellt, dass Du auch unter Wasser hören kannst. Wale kommunizieren über weite Strecken (bis zu 2000 Kilometer!) mit ihrem “Gesang”. Schall kann sich also auch in Wasser ausbreiten – sogar besser als in Luft.

Wie schnell breitet sich Schall aus?

Wenn Du Dich mit jemandem unterhältst, hörst Du augenblicklich, was die andere Person sagt – scheinbar ohne Zeitverzögerung. Doch wenn Schall einen weiteren Weg zurücklegen muss, dann bemerkt man, dass der Schall eine gewisse Zeit benötigt, um von der Schallquelle bis ins Ohr zu kommen. Die Schallausbreitung erfolgt also mit einr bestimmten endlichen Geschwindigkeit.

Beispiele:

• Beim Gewitter hörst Du den Donner erst nach dem Blitz – obwohl er gleichzeitig mit dem Blitz entsteht.
• Beim 100m-Lauf hört man den Startschuss am Ziel erst merklich nach dem Schuss.
• Wird Schall über mehrere weiter entfernte Lautsprecher abgegeben, z.B. im Stadion, so hört man den Ton aus verschieden weit entfernten Lautsprechern leicht zeitversetzt.

Fallen Dir weitere Beispiele ein?

 

Bei einem Gewitter entstehen Blitz und Donner gleichzeitig. Doch meist hören wir den Donner erst deutlich später als dass wir den Blitz sehen.

Die Schallgeschwindigkeit

Um die Schallgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der sich Schall (in Luft) ausbreitet, zu messen, könnte man z.B. bei einem 100m-Lauf die Zeit stoppen, die der Schall braucht, um von der Klappe bzw. der Pistole bis zum Ohr zu gelangen.

Du wirst jedoch feststellen, dass die Zeit so kurz ist, dass sie nur sehr ungenau bestimmt werden kann, da die Reaktion des Menschen nicht schnell genug ist.

Vielleicht hast Du schon einmal gehört, wie man die Entfernung eines Gewitters abschätzen kann.

Es gibt dafür eine einfache Faustformel.

Faustformel zur Abschätzung der Entfernung eines Gewitters:

Zähle die Zeit in Sekunden zwischen Blitz und Donner, und teile diese Zahl durch 3.

Dies ist die Entfernung in Kilometern.

Das bedeutet:

Der Schall legt in Luft in drei Sekunden etwa einen Kilometer zurück.

In einer vollen Sekunde legt der Schall demnach etwa 1/3 Kilometer (km) zurück – also etwa 333 Meter (m).

Die Schallgeschwindigkeit beträgt also etwa 333 Meter pro Sekunde.

Der genaue Wert hängt ein wenig von der Temperatur ab und beträgt bei 20°C etwa 344 m/s.

Mit der Schallgeschwindigkeit lassen sich sowohl Entfernungen als auch Zeiten berechnen.

Dazu zwei Beispielaufgaben:

(Hinweis: Beide lassen sich aufgrund der einfachen Zahlenwerte gut mit der Faustformel lösen.)

1. Wie weit ist ein Gewitter entfernt, wenn zwischen Blitz und Donner 6 Sekunden vergehen?

Lösung:

Der Schall legt in drei Sekunden einen Kilometer zurück. In 6 Sekunden legt er also eine Strecke von 2 Kilometern zurück.

Das Gewitter ist also zwei Kilometer entfernt.

2. Wie lange dauert es, bis der Startschuss im Ziel einer 100m-Strecke zu hören ist?

Lösung:

Für die Strecke von einem Kilometer benötigt der Schall etwa 3 Sekunden. 100m ist 1/10 eines Kilometers, also benötigt der Schall für diese Strecke 1/10 der Zeit (von 3 Sekunden).

Es dauert also etwa 1/3 Sekunde oder 0,33 Sekunden, bis der Startschuss im Ziel zu hören ist.

Wir wissen inzwischen, dass sich Schall auch in anderen Stoffen ausbreiten kann. Bestimmt man die Schallgeschwindigkeit für verschiedene Stoffe, so stellt man fest:

In den meisten Stoffen breitet sich der Schall schneller aus als in Luft. Nur in wenigen Stoffen, wie z.B. Kautschuk, ist der Schall langsamer.

Beispiele für Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Stoffen:

Stoff	Schallgeschwindigkeit in m/s
Kautschuk	40
Luft	344
Wasser	1480
Holz	bis 5500
Eisen	bis 5800

Wie Du siehst, breitet sich der Schall in Wasser ca. viermal so schnell aus wie in Luft. In Holz ist der Schall sogar ca. 16-mal schneller als in Luft.

Reflexion von Schall

Wenn Schall auf einen festen Gegenstand trifft, z.B. auf eine Felswand, wird der Schall reflektiert – er kommt zurück, und das Geräusch ist noch einmal (etwas leiser) zu hören. Der reflektierte Schall wird als Echo bezeichnet.

Verschiedene Stoffe reflektieren Schall unterschiedlich gut. Harte, feste Gegenstände, wie Felsen, Fensterscheiben, Wände, Fliesen usw. reflektieren Schall sehr gut. Weiche Gegenstände und Oberflächen, wie Teppiche, Sofas, Gardinen etc. reflektieren Schall sehr schlecht. Der Schall wird von ihnen praktisch geschluckt (absorbiert).

Da wir inzwischen die Schallgeschwindigkeit kennen, lässt sich aus der Zeit zwischen Aussenden des Schalls und dem Eintreffen des Echos die Entfernung der Felswand bestimmen:

Aufgabe:

Wie weit ist eine Felswand entfernt, wenn das Echo 6 Sekunden nach dem Aussenden des Schallsignals zu hören ist?

Lösung:

Wie im oberen Beispiel beträgt der zurückgelegte Weg des Schalls in 6 Sekunden 2 Kilometer. Da der Schall bis zur Felswand die gleiche Zeit benötigt wie von der Felswand wieder zurück, ist die Entfernung zur Felswand also genau halb so groß wie der gesamte vom Schall zurückgelegte Weg.

Die Entfernung zur Felswand beträgt also 1 Kilometer.

Echos werden auf diese Art beim Echolot genutzt, um Meerestiefen zu bestimmen: Von einem Schiff wird ein Ultraschallsignal (Ultraschall ist Schall, den wir nicht hören können) in Richtung Meeresboden ausgesendet und mit einem Echoempfänger wieder empfangen. Mit einem Messgerät wird die genaue Zeit zwischen Aussenden und Empfangen des Schallsignals gemessen und daraus die Meerestiefe berechnet.

Viele Tiere orientieren sich durch Echo-Ortung

Verschiedene Tiere orientieren sich dadurch, dass sie Schallsignale aussenden, die von Hindernissen reflektiert und wieder empfangen werden.

So senden z.B. Delfine Klick- und Pfeiftöne, aber auch für uns nicht hörbaren Ultraschall aus.

Auch Fledermäuse orientieren sich im Dunkeln mit Hilfe von Ultraschallsignalen.