Akustik und Schall

Lassen Sie uns kurz noch einige weitere (zusätzlich zu den in Fußnote (1) erläuterten Termini) Begrifflichkeiten klären, bevor wir ans Eingemachte gehen. Sollte Ihnen das zu trocken werden, empfehle ich als Lektürebegleitung ein Dram Tomatin Decades – der bringt Sie garantiert auch in die richtige Stimmung für das psychedelische … Entschuldigung, psychoakustische Thema an sich.

Akustik ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Die in der HiFi-Szene gebräuchliche Lesart „Raumakustik“ meint die physikalischen Begebenheiten eines Raumes in Bezug auf die Ausbreitung von Schall; also dessen Wechselwirkung mit den im Raum vorhandenen Materialien (Wände, Fenster, Textil, …). Um zum Thema Raumakustik mehr zu erfahren, empfiehlt sich die Lektüre der detaillierten Einführung „Raumpflege“.

Schall ist, was wir hören – oder doch mehr?

Schall ist, vereinfacht gesagt, eine mechanische Wellenfront, die sich in einem elastischen Medium (zum Beispiel Luft oder Wasser) als Schwankung von Druck und Dichte ausbreitet – er ist also eine Abweichung vom normalen Umgebungsdruck. Wenn die über das elastische Medium (die Luft) übertragene Druckdichteschwankung (also Energie) ausreichend groß ist, können auch scheinbar nicht-elastische Medien, zum Beispiel eine Zimmerwand oder ein Fenster, zum Schwingen angeregt werden. Diese Energie wird dann (mehr oder weniger stark reduziert) auf der anderen Seite wieder abgeben. Wäre dies nicht der Fall, hätten wir alle himmlische Ruhe in unseren Mehrparteienhauswohnungen …

Doch zurück zum Luftschall: Stellen Sie sich vor, wie der Konus eines Lautsprechertreibers sich mit hoher Geschwindigkeit vor und zurück bewegt. Dabei drückt er die Luft nach vorne und komprimiert sie so beziehungsweise produziert bei der Bewegung zurück (über seinen Ruhepunkt hinaus) einen Unterdruck direkt vor dem Treiber. Dies passiert bei einem Sinuston (der Einfachheit halber nehmen wir hier keine komplexeren Schwingungen zur Erklärung) linear, periodisch und meistens sehr schnell.

Symbolische Darstellung der Wellenfront, die als Schall unser Ohr trifft

Die vom Treiber komprimierte Luft bewegt sich als Druckfront mit 343 Meter pro Sekunde wellenförmig vom Treiber weg und zieht hinter sich einen Bereich mit niedrigerem Druck und niedrigerer Dichte (als in der Umgebung normalerweise messbar) nach sich. Wohlgemerkt bewegt sich dabei nicht die Luft selbst im Sinne einer Strömung! In Abhängigkeit von der Häufigkeit dieser aufeinanderfolgenden Druckunterschiede entsteht so ein mehr oder weniger hoher oder tiefer Ton: Die Anzahl von Drucktälern und Druckbergen in einer bestimmten Zeitperiode bezeichnet man als Frequenz, und die Maßeinheit für die Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben. 40 „Druckberge“ und „Drucktäler“ pro Sekunde zum Beispiel entsprechen 40 Hz, also einem tiefen, regelmäßigen Sinusbasston.

Zu unterscheiden sind Infraschall (Frequenzen unter circa 16 Hz), Hörschall (Frequenzen zwischen circa 16 Hz und circa 20 kHz, mit zunehmendem Alter nimmt die obere Hörschwelle immer weiter ab) sowie Ultraschall (über circa 20 kHz bis zu 1 GHz, einige Tiere, wie beispielsweise Fledermäuse, können Frequenzen bis zu circa 200 kHz erzeugen und wahrnehmen). Je tiefer die Frequenz, desto „ausgedehnter“ werden Täler und Berge der Druckschwankung, da Schall sich unabhängig von der Frequenz immer mit der gleichen Geschwindigkeit in der Luft verbreitet (deshalb gilt: Schallgeschwindigkeit geteilt durch Frequenz = Wellenlänge des Signals). Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Umgebungsluftdruck haben leichten Einfluss auf diese Schallausbreitungsgeschwindigkeit. Auf Normalnull, bei trockener Luft und etwa 20 °C und mit dem Referenzwert für eine Atmosphäre von 1013,25 hPa sprechen wir hier von 343 Metern pro Sekunde, also 1235 km/h.

Die Unterschiede in der Amplitude (Grad der maximalen Auslenkung vom Nullpunkt aus) der Dichteschwankung bestimmen den Schalldruckpegel. Hier wird es ein wenig komplizierter, denn diese in Dezibel (dB) (siehe Lexikoneintrag) gemessene Größe ist eine logarithmische. Was heißt das? Nun, Steigerungen des Schalldruckpegels verlaufen nicht linear mit der numerischen Erhöhung (78 dB sind also nicht doppelt so laut wie 39 dB): Eine Erhöhung des Schalldrucks um 6 dB entspricht vielmehr einer Verdoppelung des Pegels, aber erst eine Erhöhung um 10 dB einer Verdoppelung der wahrgenommenen Lautstärke (siehe Lautheit).

Im HiFi-Bereich messen wir häufig den Schalldruckpegel mit einem 1-kHz-Signal im Abstand von einem Meter bei 1 Watt Verstärkerleistung und bestimmen so den Wirkungsgrad eines Lautsprechers. Dabei ist es wichtig, die Entfernung genau einzuhalten, denn der Schalldruck nimmt mit der Entfernung von der Schallquelle ab, und zwar mit dem Quotienten der Entfernung (also 1/Abstand). Eine Verdoppelung der Entfernung hat schon einen Schalldruckabfall von -6 dB zur Folge.

Übrigens setzt der Umgebungsluftdruck die Obergrenze für den theoretisch maximal erreichbaren Schalldruckpegel für einen anhaltenden Ton. Bei knapp über 194 dB sind 1013,25 hPa erreicht, also eine physikalische Atmosphäre – der Normalumgebungsluftdruck in Meeresspiegelhöhe. Ab hier wäre das im Signal auftretende Drucktal ein Vakuum.