Schallwellen und Schallwahrnehmung

Das Wichtigste in Kürze

Schallwellen sind Longitudinalwellen. Schall kann von Oberflächen reflektiert werden, was zu Echos führt. Die Frequenz ist die Anzahl der Wellenlängen, die einen Punkt pro Sekunde durchlaufen. ​

Eigenschaften von Schallwellen

Es gibt zwei Arten von Wellen: Transversal- und Longitudinalwellen. Longitudinalwellen schwingen in der gleichen Richtung, in der sie sich bewegen. Schallwellen sind ein Beispiel für longitudinale Wellen. Wasserwellen hingegen sind zum Beispiel Transversalwellen, d.h. sie schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. 

Longitudinale Wellen

Eine Longitudinalwelle ist eine Welle, die in der gleichen Richtung schwingt, in der sie sich ausbreitet. Sie setzen sich aus Kompressionen und Verdünnungen zusammen.

1. Wellenlänge 2. Kompression 3. Verdünnung 4. Richtung der Ausbreitung 5. Schwingungen

Hinweis: Bei Transversalwellen wird eine Wellenlänge von einem Scheitelpunkt zum nächsten Scheitelpunkt oder von einem Tiefpunkt zum nächsten Tiefpunkt gemessen. Tatsächlich kann eine Wellenlänge zwischen zwei beliebigen aufeinanderfolgenden identischen Punkten einer Welle gemessen werden, obwohl es einfacher ist, sich auf die Messung von Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt oder von Talpunkt zu Talpunkt zu beschränken!

Frequenz

Definition

Die Frequenz ist die Anzahl der Wellenlängen, die einen Punkt pro Sekunde durchlaufen. Sie wird in der Einheit Hertz ($Hz$) gemessen.

Die Frequenz ist ein nützliches Mass, mit dem sich die Geschwindigkeit einer Welle berechnen lässt. Bei Schallwellen bedeutet eine höhere Frequenz eine höhere Tonhöhe.

Schallwellen in verschiedenen Medien

Schallwellen breiten sich durch verschiedene Medien aus, indem sie die Teilchen im Inneren eines Mediums in Schwingung versetzen. Schall braucht ein Medium, um sich auszubreiten.

Beispiel

In der Luft: Schall kann sich durch die Luft ausbreiten, indem die Teilchen in der Luft in Schwingung versetzt werden.

Im Vakuum: Ein Vakuum ist ein Bereich des Raums, in dem sich keine Teilchen befinden. Schall kann sich nicht durch den Raum ausbreiten, da es keine Teilchen gibt, die in Schwingung versetzt werden können.

Schallwellen breiten sich in verschiedenen Medien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus.

Hinweis: $m/s$ bezieht sich auf Meter pro Sekunde.

Longitudinalwellen werden genauso reflektiert wie Transversalwellen. Wiederholte Reflexionen von Schallwellen erzeugen Echos. Schallwellen können auch von Materialien absorbiert werden. Glatte, harte Oberflächen reflektieren den Schall am besten, während weiche, raue Oberflächen den Schall absorbieren.

Beispiel

In einer Höhle: Man kann Echos hören, da die Wände glatt und hart sind.

In einem Schlafzimmer: Man kann keine Echos hören, da der Teppich und die Vorhänge weich und rau sind.

Erzeugen und Erkennen von Schallwellen

Lautsprecher

Lautsprecher sind in der Lage, Schallwellen zu erzeugen, indem sie elektrische Energie in kinetische Energie umwandeln, indem sie die Membran vibrieren lassen. Die vibrierende Membran versetzt dann die Luftteilchen in der Nähe in Schwingung und erzeugt so Schallwellen. Das elektrische Signal steuert, wie schnell die Luftteilchen vibrieren, wodurch die erzeugten Töne gesteuert werden.

1. Dauermagnet 2. Spulen aus Draht 3. Elektrische Signale 4. Kegel 5. Schwingungen

Mikrofon

Ein Mikrofon hat eine Membran (dünnes Material), die vibriert, wenn Schallwellen in der Luft auf sie treffen. Diese Schwingungen werden in elektrische Signale umgewandelt, die an ein Oszilloskop angeschlossen werden können, um die Wellen zu messen.

Tipp: Ein Mikrofon ist genau das Gegenteil eines Lautsprechers! Es wandelt eine Schallwelle in elektrische Signale um.

Schallwahrnehmung

​Deine Ohren sind so konzipiert, dass sie Schall wahrnehmen, indem sie Schwingungen in elektrische Signale umwandeln, die an dein Gehirn gesendet werden. Der Mensch kann Schallwellen mit Frequenzen zwischen $20 \,Hz$​​ ​und ​ $20\,000\,Hz$​ hören. Ultraschallwellen haben höhere Frequenzen als $20\,000\,Hz$​​ ​und können von einigen Tieren gehört werden.​

Ohren

Die menschlichen Ohren sind aufgrund eines einfachen Systems in der Lage, Schallwellen zu erkennen. Die Schwingungen der sie umgebenden Luft wandern durch den Gehörgang und interagieren mit dem Trommelfell. Das Trommelfell ist mit drei kleinen Knochen, den Gehörknöchelchen, verbunden, die die Schwingungen an die Hörschnecke weiterleiten. Die Cochlea wandelt diese Schwingungen in ein elektrisches Signal um und leitet es über den Hörnerv an das Gehirn weiter.

Die menschlichen Ohren sind darauf ausgelegt, Frequenzen zwischen $20\,Hz$ und $20\,000\,Hz$ zu hören. Die Tonhöhe einer $20\,Hz$ Schallwelle ist sehr niedrig, und die Tonhöhe einer $20\,000\,Hz$ Schallwelle ist sehr hoch. Mit zunehmendem Alter kann es sein, dass Menschen die Fähigkeit verlieren, die höheren Töne zu hören.

Ultraschallwellen

Definition

Schallwellen mit einer höheren Frequenz als $20\,000\,Hz$.

Diese Frequenz liegt ausserhalb des menschlichen Hörbereichs, kann aber von einigen Tieren, wie Fledermäusen und Delfinen, gehört werden. Ultraschall wird in der Medizin eingesetzt, da er Bilder aus dem Inneren des Körpers erzeugen kann. Das macht ihn nützlich für Schwangerschaftsuntersuchungen. Er kann auch zur Reinigung und Physiotherapie eingesetzt werden.