Schall ist geordnete, periodische Teilchenbewegung, die in der Luft, aber auch in Festkörpern zustande kommt.1 Hierbei sind die Begriffe Schalldruck und Schallschnelle zu beachten.2
„[…] [Diese] bedingen einander und ergeben erst in Ihrem Zusammenwirken den Schall.“3
Nur der Schalldruck ist hörbar. Dieser beschreibt den Druckunterschied gegenüber der normalen Luft. Bei einer Schwingung entstehen Über- und Unterdruckbereiche. Zwischen den Bereichen findet eine Bewegung der Luftteilchen statt. Dies ist die sog. Schallschnelle, welche jedoch nicht hörbar ist.4
Der Schalldruck und die Schallschnelle verhalten sich dabei proportional zueinander. Wird also die Schallschnelle erhöht, passiert dies im gleichen Maße auch mit dem Schalldruck.5
Eine wichtige Erkenntnis hierbei ist, dass die Luftmoleküle nicht transportiert, sondern gegenseitig angestoßen werden.6
Die Lautstärke des Schalls wird im sog. Schalldruckpegel mit der Einheit [dBSPL] angegeben. Da dies eine logarithmische Größe ist7, bedeutet bereits eine Veränderung von 6 dB eine Verdopplung bzw. eine Halbierung des Schalldrucks. Weiterhin gilt zu wissen, dass man erst bei einer Veränderung von +/- 10 dB von einer gefühlten Verdopplung/Halbierung der Lautstärke spricht.8 Zur Orientierung soll der Wert 128 dBSPL angenommen werden, der die Schmerzgrenze des menschlichen Gehörs angibt.9
Zum Vergleich ist Temperatur auch Teilchenbewegung von Atomen bzw. Molekülen. Diese Bewegung ist aber im Gegensatz zur Schallausbreitung ungeordnet und zufällig in alle Richtungen. Warum mache ich an dieser Stelle diesen Querverweis? Die Temperatur, also die ungeordnete Teilchenbewegung, verändert die Schallgeschwindigkeit in einem Medium. Bei Messungen müssen wir für eine vergleichbare Konsistenz eine bestimmte Temperatur festlegen. In Europa haben sich die Wissenschaftler auf 20° C geeinigt.
Somit werden alle Messungen bei uns in dem Magazin bei 20° C erstellt.
Das sogenannte Schallfeld beinhaltet ein Signal, welches direkt von der Schallquelle in Richtung Hörposition ausgeht und ebenfalls Signale, die erst durch Umwege bzw. an Wänden entstehenden Reflexionen erzeugt werden. Der dabei linear ausgesendete Schall wird Direktschall oder Freifeld genannt, wobei die anteilig erzeugten Reflexionssignale auch Diffusschall heißen.10
Die gestrichelten Pfeile zeigen den Direktschallanteil, der direkt zum Hörer gelangt.
Die durchgezogenen Pfeile beschreiben den Diffusschallanteil, der zuerst reflektiert wird und erst auf Umwegen zum Hörer gelangt.
Die eingezeichneten Kreise schildern [die grundsätzliche Schallausbreitung], die später erläutert werden soll.
Werden Schwingungen nun grafisch erfasst, entsteht ein mit der Sinus-Schwingung weitestgehend übereinstimmender Verlauf, wobei eine vollständige Schwingung genau einer zeitlichen Periode entspricht.
Das Medium, in dem sich die Schallwellen verteilen, bestimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit, worauf die Frequenz [f] des Signals keinen Einfluss hat. Die Ausbreitung ist umso schneller, je fester die Atomstruktur des Mediums ist.
Während einer Periode legt eine Schwingung einen bestimmten Weg zurück, welcher auch Wellenlänge [λ] genannt wird. Es gilt folgende Berechnungsformel:[1]
λ=c/f
Die Frequenz [f] gibt an, wie viele Perioden / Schwingungen in einer Sekunde vollzogen werden und wird in der Einheit Hertz angegeben. [c] beschreibt hierbei die Schallgeschwindigkeit, die in der Luft 344 m/s beträgt. Bei einer Schwingung von 100 Hz beträgt die Wellenlänge also 344 cm. Also circa 3,44 Meter.
1.000 Hz ist die Wellenlänge 34,4 cm.
10.000 Hz ist die Wellenlänge 3,44 cm.
Bitte auch hier beachten, dass wir von einer Temperatur von 20° Celsius ausgehen.
Hier ist die Amplitude [also die max. Auslenkung der Schwingung] im Verhältnis zum zurückgelegten Weg bzw. der Zeit dargestellt. Aufgrund des wellenförmigen Verlaufs spricht man also von der sog. Wellenlänge.
Damit ein Signal komplett zurückgeworfen wird, muss das Hindernis [also z. B. die Wand oder der Boden] flächenmäßig genauso groß wie die Wellenlänge der ursprünglichen Schwingung sein. Wenn eine Schallwelle auf eine schallharte Fläche [z. B. eine Betonwand] trifft, wird diese in den meisten Frequenzbereichen also vollständig reflektiert.
Im Folgenden soll näher auf den Effekt der Interferenzen eingegangen werden. Darunter versteht man ein sogenanntes Überlagerungsmuster von zwei verschiedenen Schallwellen in einem Raum. Wenn nun also zwei Signale phasengleich in einem Punkt an der Wand auftreffen, verdoppelt sich an dieser Stelle der Schalldruck. Die Überhöhung kann bis zu + 6 dB betragen. Verlaufen die zwei Schallwellen genau gegenphasig, löscht sich der Schalldruck an diesem Punkt im Raum aus und kann auf näherungsweise 0 dB reduziert werden. Entstehen können solche Interferenzen allerdings nur, wenn mind. zwei Schallquellen existieren. Das müssen jedoch nicht mehrere, verschiedene Lautsprecher sein. Es reicht schon eine Schallquelle und eine daraus resultierende Reflexion im Raum.
Jede Reflexion im Raum ist als eine neue und zeitlich verschobene Schallquelle an unterschiedlichen Orten beschreibbar. Es entstehen fortlaufend Reflexionen, aus denen wiederum neue Reflexionen resultieren. In einem rechteckigen Raum hat man also schon sechs Basis-Reflexionen. Da die Reflexionsdichte in einem Raum schnell zunimmt, bildet sich daraufhin ein diffuses Schallfeld. Weil der Schalldruck einer kreisförmigen Abstrahlung „[…] mit jeder Verdopplung des Abstands zur Schallquelle […]“ um 6 dB reduziert wird , stellt jede weitere Reflexion auch nur noch eine schwächere Schallquelle gegenüber dem Direktschall dar.
Aus den Reflexionen, die immer leiser werden, entsteht ein diffuser Nachhall. Die Zeit, die vergeht bis der Schalldruck des Diffusschalls um 60 dB leiser geworden ist, wurde als Nachhallzeit RT60 definiert. Diese Zeit lässt sich entweder messen oder mit folgender Formel berechnen:
„[V]: Raumvolumen in m3
[S]: Raumgesamtoberfläche in m2
[a]: mittlerer Absorptionskoeffizient des Raums“*
*Der Absorptionskoeffizient gibt an, wie stark das absorbierende [also schallschluckende und fast immer vorhandene] Material im Raum die Schallwelle dämpft.
Um eine ungefähre Vorstellung von vorhandenen bzw. erstrebenswerten Nachhallzeiten zu bekommen, seien im Folgenden ein paar Beispiele erwähnt:
– Heimische Wohnzimmer bewegen sich im Bereich von ca. 0,3 s.
– Aufnahmeräume sollten eine Nachhallzeit von ca. 0,5 s aufweisen.
– Konzertsäle erreichen eine Nachhallzeit von etwa 2 s.
Eine sehr unangenehme Eigenschaft vieler Räume ist die herrschende Eigenresonanz im Bassbereich. Diese Phänomene werden auch Raummoden oder Stehende Wellen genannt. Diese Stehenden Wellen bilden sich zwischen zwei parallelen Wänden, wenn ein Signal so reflektiert wird, dass sich im Raum gleiche Schallwellenverläufe überlagern. Die ausgesendete Schwingung wird zu unterschiedlichen Zeitabständen innerhalb zweier Wände hin- und hergeworfen. Das auf die Wand treffende Signal überlagert sich also mit dem reflektierten Anteil des Schalls. An best. Orten entsteht nun eine Überhöhung des Schalldrucks, während der Schall an anderen Stellen im Raum durch eine Auslöschung gedämpft wird. Berechnen kann man die niedrigste Stehende Welle in einem Raum mit der Formel:
Die Abbildung zeigt zum Zeitpunkt von 0° den Wellenverlauf der hinlaufenden Schallwelle (durchgezogene Linie), die im selben Verlauf auch wieder zurück reflektiert (gestrichelte Linie) wird. Zum Zeitpunkt von 90° überlagert sich das zurücklaufende Signal mit dem hinlaufenden Signal mit einer Phasenverschiebung von 90°, [was zugleich auch dem Resonanzfall entspricht]. Nun entstehen an den Nulldurchgängen Überhöhungen und an den Amplituden Verringerungen des Schalldruckpegels.
