Es gibt sie und jeder kennt sie, jedoch kaum jemand ist in der Lage sie physikalisch zu erklären Schallerscheinungen. Jeden Tag werden wir mit ihnen konfrontiert und lassen sie auf uns einwirken. Manchmal nehmen wir sie nur beiläufig wahr und manchmal sind es auch unerwünschte Lärmbelästigungen. Doch wenige stellen sich die Frage nach dem Warum. Die Antworten auf diese Fragen liegen in den physikalischen Eigenschaften der Schallausbreitung. Manche Phänomene lassen sich auf die einfachste Art und Weise erklären, andere hingegen sind derart komplex, dass man ein ganzes Buch verfassen müsste um sie zu erklären. Wir haben uns auf die interessantesten Schallerscheinungen beschränkt und haben diese in unserer Facharbeit in deren Grundzügen erklärt.

Die einzelnen Themen sind reichlich illustriert, um dem Leser einen eindeutigeren Eindruck zu verschaffen. Physikalische Grundlagen, die für die Erklärung der einzelnen Erscheinungen von großer Bedeutung sind haben wir im Glossar aufgelistet. Ein Verweis auf ein im Glossar zu findendes physikalisches Gesetz oder ähnliches sieht wie folgt aus:

*[Reflexionsgesetz] verweist auf das im Glossar zu findende Gesetz zu diesem Sachverhalt.

Die Themen sind nach deren physikalischem Hintergrund sortiert, wir erhoffen uns dadurch ein besseres Verständnis.

Viel Spaß beim Lesen wünschen Ihnen

Pierre Hain Christian Hochmuth

Stimmen verzaubern Seite 3

Ein Glas zersingen Seite 4

Das klappernde Auto Seite 6

Schallspiegel Seite 9

Das Schalloch Seite 10

Der Knall aus dem Flugzeug Seite 12

Glossar Seite 13

Quellenverzeichnis Seite 14

Schlusserklärung Seite 16

Die menschliche Stimme ist beeinflussbar. Atmet man aus einem mit Helium gefüllten Ballon kräftig ein, so wird man danach eine hohe und sehr helle Stimme haben. Das Helium des Ballons beeinflusst die Lautbildung im Nasen-Rachen-Raum.

Die für das Sprechen unbedingt notwendigen Stimmbänder strahlen ein Gemisch von Schallwellen ab wenn Luft durch sie hindurchströmt. Die eigentliche Formung des Lautes geschieht jedoch im Nasen-Rachen-Raum. Dieser Hohlraum wird mit Hilfe der Zunge vergrößert oder verkleinert. Dieser veränderbare Hohlraum ist je nach Größe spezieller *[Resonanzraum] für eine spezielle Schwingung. Dadurch hört sich ein Ton höher oder tiefer in seiner Stimmlage an.

Der Mensch trainiert von Kindheit an durch die räumliche Veränderung des Rachenraumes bestimmte Laute zu formen. Die entstehenden Laute sind aber auch noch vom Medium, in dem sie erzeugt werden, abhängig. Je nach Art des Mediums verändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der erzeugten Schallwelle und der Rachenraum ist dadurch Resonanzraum für eine andere Schallwelle, das heißt für eine andere *[Frequenz] (Bild 1).

Atmet man nun Helium ein, ersetzt es für kurze Zeit die Luft in den Lungen. Die veränderten Schallgeschwindigkeiten der Töne führen zu anderen Tonlagen, also anderen *[Wellenlängen], bei denen bei gleicher Rachenformung Resonanz auftritt(Bild 2).

Bei Tiefseetauchern führt dieses physikalische Phänomen zu großen Schwierigkeiten bei der Kommunikation. Man weiß, dass der in Luft enthaltene Stickstoff in großen Tauchtiefen durch eine stark erhöhte Löslichkeit eine gesundheitliche Gefahr für die Taucher darstellt. Aus diesem Grund müssen diese Taucher ein Helium-Sauerstoff-Gemisch einatmen. Der Stickstoff der Luft wird also durch Helium ersetzt. Spricht der Taucher nun durch sein Mikrofon, so klingt seine Stimme auch stark verzerrt. Diese Verzerrung kann auch bis zur Unverständlichkeit führen. Tauchtechniker haben aus diesem Grund ein Gerät entwickelt, mit dem es möglich ist, die verschobenen Frequenzen wieder auf normale Tonhöhen zu transformieren. Auch Schwerhörigen, die im Extremfall keine Frequenzen über 100 Hertz mehr wahrnehmen können, könnt dieses Gerät helfen. Es könnt die hohen Frequenzen so umwandeln, dass sie für den Betreffenden wieder hörbar sind. Leider sind diese Geräte meist noch Prototypen.

Sicher hat man schon einmal festgestellt, dass sich seine eigene Stimme auf einem Tonband völlig anders anhört, als man es selbst immer hört. Aber die Tonbandstimme ist jene, die auch andere Menschen wahrnehmen. Dabei klingt diese Stimme völlig anders als man es selbst gewohnt ist. Das liegt daran, dass die Schwingungen, die bei der Stimmerzeugung im eigenen Kopf entstehen, vom Hörorgan anders aufgenommen werden, als wenn sie über die Luft das Trommelfell treffen würden. Im Kopf wird der Schall teilweise auch über die Knochen geleitet. Das gilt vor allem bei niedrigen *[Frequenzen]. Der Stimmeindruck, den man selbst von sich hat, stimmt also kaum mit einer Tonbandaufnahme überein.

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Es ist tatsächlich möglich, Gläser durch bestimmte Töne zum Platzen zu bringen. Wenn eine Schallquelle genau den Ton erzeugt, so dass *[Resonanz] auftritt, fängt das Glas so stark an zu schwingen, das es sogar zerspringen kann. Die menschliche Stimme ist zwar in der Lage den richtigen Ton zu erzeugen, aber der Atem reicht nicht aus um einen derartig hohen Ton lange genug auszuhalten. Wenn man aber erst einmal den richtigen Ton gefunden hat, zum Beispiel mit einem Druckkammerlautsprecher, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis das Glas die Belastung durch die Schallwellen nicht mehr aushält und schließlich zerspringt(Bild 1).

Um die *[Eigenfrequenz] eines Glases festzustellen, stellt man am besten einen Bleistift in das Glas und singt einen Ton. Bei einem bestimmten Ton fängt der Bleistift an zu vibrieren und dreht sich sogar im Kreis(Bild 2). Das ist der Beweis, dass sich die molekulare Struktur des Glases verändert und damit instabil wird. Das Glas wird regelrecht durchgeknetet .

Wenn man sich eine Meeresmuschel an das Ohr hält, hört man das Meer rauschen. Warum ist das so?

Natürlich ist es nicht das Meer, das man durch die Muschel wahrnimmt, sondern es sind Hintergrundgeräusche, die in unserer Umgebung erzeugt werden. Im Normalfall können wir diese Geräusche nicht wahrnehmen, da sie für unser Gehör zu leise sind und von viel lauteren Geräuschen überschattet werden. Aber genau diese Hintergrundgeräusche versetzten die Muschel in *[Resonanz]. Dadurch wird auch die geschwungene Luftsäule im Inneren der Muschel zum Schwingen angeregt und die vorher so leisen Geräusche werden verstärkt. Die grünen Linien in Bild 2 kennzeichnen den Hohlraum im Inneren der Muschel, in dem die Luft durch den sie umgebenden Schneckenkörper zum Schwingen angeregt wird. Jetzt ist unser Ohr in der Lage diese Geräusche wahrzunehmen und da unsere Ohrmuschel durch die Meeresmuschel isoliert ist, kann es sich auch besser auf diese Geräusche konzentrieren. Es entsteht der Eindruck, man höre das Meer rauschen. Dieser Effekt läßt sich auch mit anderen *[Resonanzkörpern] erzielen, zum Beispiel mit einer Konservendose. Entscheidend ist eigentlich, dass in dem Hohlkörper eine eingeschlossene Luftsäule vorhanden ist, in der die Geräusche durch Resonanz verstärkt werden können. Deshalb ist es normalerweise auch falsch von einer Muschel zu sprechen, da diese eigentlich zweischalig ist und nicht über eine Luftsäule in dieser Form verfügt. Das Meeresrauschen hört man nur in Meeresschnecken. Die in Bild 1 abgebildete Meeresschnecke stammt aus dem Wattenmeer der Nordsee.

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Ein nicht mehr allzu neues Auto klappert gelegentlich bei der Fahrt. Wenn man dies genauer betrachtet fällt auf, dass bei bestimmten Geschwindigkeiten auch immer spezifische Geräusche auftreten. Diese Erscheinung ist auf die Eigenfrequenz der klappernden Teile zurückzuführen. Fährt das Auto, so wird es ständig durch die Unebenheiten der Strasse oder Unwuchten in der Motormechanik in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen sind zwar sehr klein, nehmen aber mit erhöhter Geschwindigkeit des Fahrzeuges merklich zu. Das Auto hat also bei einer bestimmten Geschwindigkeit eine bestimmte Frequenz mit der es durchgeschüttelt  wird.

Die einzelnen Bestandteile eines Autos sind unterschiedlich aufgebaut. In einem Auto gibt es auf der einen Seite Teile, die nur millimetergroß sind, wie zum Beispiel kleine Schrauben oder Mikrochips , auf der anderen Seite auch große Teile mit hohem Gewicht und großer Fläche wie zum Beispiel dem Fahrzeugrahmen ober den Karosserieblechen. Jedes einzelne dieser Teile hat eine bestimmte Eigenfrequenz, die von Größe, Form und Material des betreffenden Teiles abhängig ist. Wenn man nun annimmt, dass eine bestimmtes Autoteil genau die gleiche Eigenfrequenz wie ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 50 Kilometern je Stunde hat, so tritt Resonanz auf und das Teil fängt an besonders stark zu schwingen. Wenn das Teile nicht fest genug installiert ist, so kann es an andere Teile anschlagen und ruft somit ein periodisches klapperndes Geräusche hervor. Dieses Klappern ist spezifisch für eine Geschwindigkeit des Autos von 50 Kilometern je Stunde. Verändert sich die Geschwindigkeit des Autos, so ändert sich auch die Eigenfrequenz des Autos und das genannte Teil schwingt nicht mehr so stark, es hört auf zu klappern. Jedoch kann es andere Teile mit anderen Eigenfrequenzen geben, bei denen die Resonanz auch nur bei einer anderen Geschwindigkeit auftritt. Somit kann man in einem Auto bei verschiedenen Geschwindigkeiten auch verschieden Klappergeräusche wahrnehmen.

Diesen Sachverhalt kann man anhand eines Modellversuchs beweisen. Im Bild 1 ist ein Modellauto abgebildet, dass mit zwei verschieden langen Metallstreifen jeweils an Vorder- und Hinterachse ausgerüstet ist. Es wird durch einen Elektromotor angetrieben, der bewusst mit einer Unwuchtscheibe gekoppelt ist. Als Beobachtung kann man feststellen, dass bei bestimmten Drehzahlen die Metallstreifen anfangen zu vibrieren. Bei höherer Drehzahl schwingt der vordere Metallstreifen, weil der längere hintere Streifen für diese Frequenz zu träge ist. Ist die Drehzahl niedriger, hört der vordere Streifen auf zu schwingen und der hintere Streifen gerät in Resonanz.

Auch der TÜV nutzt solche Schwinger auf dem Prüfstand um das Schwingverhalten bestimmter Teile zu überprüfen.

Es gibt am Auto aber auch Teile, die nicht nur zeitweise Schwingungen hervorrufen. Zum Beispiel der Motorblock oder der Autoreifen verursachen relativ gleichmäßigen Lärm. Da dieser Schall von Schwingungen der Teile herrührt, versuchen Techniker die Unwuchten in diesen Teilen zu erkennen und zu kompensieren. Dazu nutzen sie einfarbiges Laserlicht. Es werden zwei Aufnahmen von dem zu testenden Objekt gemacht. Eine Erste wird vom ruhenden Objekt gemacht. Eine Zweite Aufnahme wird dann vom bewegten Objekt, zum Beispiel von einem Reifen auf dem Prüfstand, gemacht. Beide Aufnahmen werden überlagert und durch die Abweichungen entsteht ein Interferenzbild. Das Laserlicht wird durch die Ausbuchtungen des schwingenden Reifens so reflektiert, das es sich mit den Laserwellen der ersten Aufnahme teilweise auslöscht. In Bild 4 stellen die schwarzen Bereiche die Auslöschungen dar. Die Interferenzlinien zeigen den Technikern so, wo die lärmverursachenden Schwingungen zu finden sind.

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Ein jeder kennt den Papagei aus den Bergen, der ständig auf sich aufmerksam macht sobald man einen Ton von sich gibt. Doch wie kommt es zu dieser Erscheinung, ist es Zufall oder kann man gezielt ein Echo hervorrufen?

Das Wort Echo ist aus dem griech-lat. entstanden. Es ist eine durch Reflexion an einem Hindernis zum Ursprungsort zurückkehrende Welle. Der Begriff wird meist speziell auf die Schallreflexion bezogen, bei der im Falle eines Echos der reflektierte Schall zeitlich verzögert zum Originalschall ist und somit auch getrennt von ihm wahrgenommen werden kann, folglich vernimmt man an der Schallquelle zwei Töne. Den ersten unmittelbar nach dem Aussenden, den zweiten nach der Reflexion des Schalls. Für die Entstehung eines Echos müssen somit grundlegende Voraussetzungen gegeben sein.

Betrachten wir nun zwei Fälle hierzu:

Die Schallquelle (C), der Wanderer, steht am Fuße des Berges (Bild 1).Das Hindernis (AB), welches drei beliebige Schallstrahlen reflektiert, ist höher gelegen (unter dem Modell Schallstrahl  versteht man die jeweilige Ausbreitungsrichtung der Schallwellen). Sendet die Schallquelle nun Schallwellen aus, so verlaufen die einzelnen Schallstrahlen in Richtung Ca, Cb und Cc. Es ist deutlich zu erkennen, dass sie sich nach der Reflexion am Hindernis (AB) in die Richtungen aa, bb und cc ausbreiten . Die Reflexion erfolgt nach dem *[Reflexionsgesetz]. Infolgedessen erreichen sie ihren Ursprungsort, das Ohr des Wanderers nicht. Somit kann der Wanderer die reflektierten Strahlen nicht wahrnehmen, d.h. es entsteht kein Echo. Ändert sich jedoch die Konstellation der Schallquelle und des Hindernisses zueinander, so ist das Zustandekommen eines Echos möglich. In Bild 2 befindet sich die Schallquelle (C) höher als das Hindernis (AB). Zwischen ihnen liegt eine Mulde. Zwei ausgewählte Schallstrahlen werden nun während ihrer Ausbreitung ein- oder mehrfach am Boden reflektiert. Die Mulde wirkt dabei als Konkavspiegel und macht es möglich, dass die Strahlen in solch einem Winkel auf das Hindernis (AB) treffen, dass sie das Ohr des Wanderers nach der Reflexion erreichen und dieser somit den von ihm ausgesendeten Ton ein zweites Mal vernimmt. Es ist ein deutliches Echo entstanden.

Ist die Mulde jedoch zu den Punkten BC gewölbt, so arbeitet sie als Konvexspiegel und erschwert das Zustandekommen des Echos. Des weiteren muss der Abstand zwischen der Schallquelle und dem Hindernis beachtet werden. Da die Schallgeschwindigkeit ca. beträgt muss eine große Entfernung von der Schallquelle zum Hindernis bestehen, damit der reflektierte Schall getrennt vom Originalschall vernommen werden kann. Andernfalls würde man einen Nachhall hören, d.h. es würde ein sehr kleiner Zeitunterschied zwischen dem Empfang des Originalschalls und des reflektierten Schalls bestehen. Somit überlappen sich beide Töne und sie sind nicht, wie beim Echo getrennt wahrzunehmen. Hierzu ein Beispiel:

Befindet man sich in einem Zimmer mittlerer Größe, so entsteht bekanntlich kein Echo. Die

Ursache dafür ist der zu geringe Abstand zwischen Schallquelle und Hindernis, demzufolge werden Originalschall und reflektierter Schall nahezu gleichzeitig erhört. Ändert sich allerdings die Größe des Raumes, so kommt es allmählich zu einem Nachhall, z.B. in einer Sporthalle. Steigt der Abstand zwischen Schallquelle und Hindernis weiter an, wie es in einer Betriebshalle der Fall wäre, dann können die Töne voneinander getrennt wahrgenommen werden, folglich kommt es zu einem Echo. Die Trennung dieser Töne ist jedoch am deutlichsten, wenn es sich hierbei um kurze und abgehackte Geräusche wie z.B. ein Klatschen handelt. Stößt man einen längeren Ton aus, so überschneiden sich, je nach Distanz zum Hindernis, der Originalschall mit dem reflektierten Schall.

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Der Schall kann nicht nur durch feste Körper zurückgeworfen werden, sondern auch durch Gebilde wie z.B. Wolken. Die Ursache darin liegt, wie bei der Brechung des Lichtes, in der unterschiedlichen Dichte der Medien, die der Schall bei seiner Ausbreitung durchläuft. Die Schallgeschwindigkeit nimmt mit der Dichte der Medien zu, d.h. der Schall breitet sich beispielsweise in der Luft langsamer aus als im Wasser.

à v _Luft (bei 20°C) = 344m*s^-1 < v _Wasser (bei 20°C) = 1484m*s^-1

Somit kann es ähnlich wie beim Licht zur *[Totalreflexion] kommen. Die Totalreflexion des Lichtes erfolgt ebenfalls aufgrund unterschiedlicher Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Allerdings nimmt die Lichtgeschwindigkeit mit zunehmender Dichte der Medien ab.

à c _Luft = 300000km*s^1- > c _Glas = 200000km*s^1-

Somit muss man die Definition der Totalreflexion des Schalls anders formulieren:

Die Totalreflexion tritt nur dann ein, wenn Schall aus einem dünneren Medium kommend auf die Grenzfläche zu einem dichteren Medium trifft und der Einfallswinkel der Schallstrahlen größer als der Grenzwinkel  ist.

Im Falle eines Echos an einer Wolke durchlauft der Schall zunächst die Luft der Atmosphäre bis er auf die Grenzschicht zu einer Wolke trifft, dessen Dichte höher ist als die der Luft und sich der Schall somit schneller darin ausbreiten kann. Wenn nun der Einfallswinkel eine bestimmte Größe überschreitet (abhängig von Schallgeschwindigkeit in der Wolke), dann kommt es zur Totalreflexion. Man bedenke jedoch, dass die ausgesandten Schallstrahlen nach der Reflexion ihren Ursprungsort erreichen müssen, um als Echo wahrgenommen zu werden. Dies kann beispielsweise durch eine zweite Reflexion der Schallstrahlen an einer Felswand erfolgen. Es ist jedoch sehr selten der Fall, deshalb werden vermutlich auch sehr wenige Menschen ein solches Erlebnis in ihrem Leben gehabt haben.

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Ein Bauwerk, ein Berg, eine hohe Mauer  generell jedes Hindernis, das den Schall als Echo zurückwirft, ist nichts weiter als ein Schallspiegel. Er reflektiert den Schall genauso wie der Spiegel im Haushalt, das Licht zurückwirft. Nun existieren jedoch auch weitere Formen von Spiegeln. Es gibt zwei weitere Arten: Konkavspiegel und Konvexspiegel.

Die Unterscheidung erfolgt nach der dem Schall zugewandten Seite. Ist die gewölbte Seite den Schallstrahlen zugeneigt, so ist es ein Konvexspiegel (Wölbspiegel), ist jedoch die hohle Seite den Schallstrahlen ausgesetzt, so liegt ein Konkavspiegel (Hohlspiegel) vor.

Nun zu zwei verblüffenden Experimenten mit Hohlspiegeln:

Für den ersten Versuch werden zwei Suppenteller benötigt. Ein Teller steht auf dem Tisch., einige Zentimeter über ihm hält man eine Taschenuhr. Den zweiten Teller platziert man neben dem Kopf, in die Nähe des Ohres, wie es in Bild 1 dargestellt ist. Hat man nun nach einigen Proben die richtige Entfernung von der Uhr zum ersten Teller und dem Ohr zum zweiten Suppenteller herausgefunden, so kann man das Ticken der Uhr sehr deutlich aus dem Teller, der sich neben dem Ohr befindet, vernehmen. Das erstaunliche dabei ist, dass man bei geschlossenen Augen denkt, man hielte die Uhr, statt den Teller am Ohr. Die unglaublich gute Übertragung des Geräusches auf eine verhältnismäßig große Entfernung ist durch die präzise Platzierung der Uhr und des zweiten Tellers zu erklären. Beide Suppenteller wirken nämlich wie zwei Hohlspiegel. Für die Erklärung des Experiments habe ich ein Modell erstellt, welches die in Abb.1 unsichtbaren Schallstrahlen zeigt. Die Lage der Hohlspiegel ist in Abb.1 anders als in dem Modell, dies beeinflusst jedoch das Prinzip nicht. Die Uhr wird im Modell als der Brennpunkt 1 dargestellt. Von ihm gehen Schallstrahlen (das Ticken) aus und treffen auf den Hohlspiegel 1 (Teller 1). Dieser reflektiert die Strahlen als Parallelstrahlen, welche dann auf den gegenüberliegenden Hohlspiegel 2 (Teller 2) treffen und sich in dessen Brennpunkt 2 (Ohr) konzentrieren, d.h. sie verstärken sich, was auch der Grund für den geringen Intensitätsverlust des Tickens ist.

Das zweite Experiment ist ebenfalls eine Anwendung dieses Sachverhalts. Ersetzt man die an Brennpunkt 1 befindliche Uhr durch einen Lautsprecher und stellt man eine Kerze an den Brennpunkt des zweiten Hohlspiegels, anstatt das Ohr wie beim vorigen Versuch daran zu halten, so ist folgendes zu beobachten. Strahlt der Lautsprecher Schallwellen aus, so beginnt die Kerze plötzlich heftig zu flackern  trotz einer hohen Entfernung und ohne Bündelung der Schallstrahlen. Auch hier geschieht das gleiche wie bei dem Versuch zuvor, nur dass man eine weitere physikalische Eigenschaft des Schalls nutzt  die *[Schallausbreitung]. Die Schallwellen konzentrieren sich im Brennpunkt des zweiten Hohlspiegels und der Druck der Schallwellen bringt die Kerzenflamme nun zum Flackern. Hält man beispielsweise eine Holzplatte vor die Kerze, so brennt sie ruhig weiter - ein Beweis dafür, dass die Schallwellen das Flackern der Kerze verursachen.

Das Wissen um das Verhalten des Schalls nutzt man schon seit vielen Jahren, so werden heute noch Theatersäle nach dieser Methode erbaut. Somit können auch die Zuschauer in den hintersten Reihen die Schauspieler verstehen.

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Vielleicht hat man schon einmal beobachten können was passiert, wenn man durch einen mit Helium gefüllten Luftballon hindurch etwas flüstert. Auf der anderen Seite dieses Ballons hört man nämlich kaum etwas. Wo bloß sind die Schallwellen geblieben?. Dieses Phänomen ist physikalisch sehr einfach zu erklären.

Bekannt ist ja, dass man Lichtstrahlen auf ihrem Weg gezielt beeinflussen kann. Dabei übernehmen Linsen die Aufgabe das Licht zu bündeln oder zu zerstreuen. Diese *[Brechung] beruht auf der Eigenschaft des Lichts, dass es immer den schnellsten Weg nimmt und dabei an der Grenzfläche zweier optisch unterschiedlich dichter Medien gebrochen wird. Schall ist auf dieselbe Art beeinflussbar. Schallwellen werden beim Übergang zwischen zwei unterschiedlich dichten Medien abgelenkt und nach bestimmten Gesetzen gebrochen. In dem Beispiel des mit Helium gefüllten Ballons würde der Schall vom dichteren Medium, der Luft, zum dünneren Medium, dem Helium laufen. Daraus folgt eine Brechung des Schalls vom Lot weg. Das Helium wirkt also wie eine akustische Linse und die Schallwellen, die von der Schallquelle ausgehen, werden in alle Richtungen gestreut. Die Konzentration der einzelnen Schallwellen nimmt ab und man hört in dem Bereich hinter dem Ballon kaum etwas. Ein umgekehrtes Experiment könnte die Linsenwirkung noch besser verdeutlichen. Würde man den Ballon mit einem Gas füllen, das schwerer als die Luft ist, zum Beispiel mit Kohlendioxid, würde man hinter dem Ballon einen kleinen Bereich vorfinden in dem sich die Schallwellen konzentrieren. An dieser Stelle ist das Gesprochene sehr deutlich zu verstehen, da sich hier der Brennpunkt der akustischen Linse befindet und sich die Wellen in diesem Punkt bündeln. Man könnte auch eine Kerze in diesen Bereich hineinbringen und sie würde, wenn man auf der anderen Seite etwas sagt, anfangen zu flackern und womöglich erlöschen(Bild 1).

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Viele Menschen werden schon die Erfahrung gemacht haben, dass es völlig sinnlos ist nach einer zirpenden Grille, die irgendwo im Gras versteckt sitzt, zu suchen. Das liegt daran, dass das menschliche Gehör die Richtung einer Schallquelle oft falsch bestimmt. Unsere Ohren können zwar sehr gut unterscheiden, ob beispielsweise ein Schuss rechts oder links von uns ertönt, jedoch sind wir absolut unfähig (bei geschlossenen Augen) die Richtung einer Schallquelle anzugeben, wenn sie sich genau in der Symmetrieebene unseres Kopfes (Bild 1) befindet. Wird ein Schuss vor einer Person ausgeführt, dann wird er oft als von hinten kommend eingeschätzt. In solch einem Fall kann die Person nur Aussagen über Entfernung der Schallquelle, anhand der Lautstärke, machen. Die Ursache für diesen Sachverhalt werde ich an einem aussagekräftigen Beispiel erklären:

Ein Überschallflugzeug fliegt über das Land. Einige Zeit später hört man einen lauten Knall, der aus dem Nichts zu kommen scheint. Was ist das für ein Knall?

Hierbei handelt es sich um den sogenannten Überschallknall. Es gibt einige Flugzeuge, die schneller als der Schall, also schneller als 1240 km/h fliegen können. Wenn diese Flugzeuge relativ dicht über der Erdoberfläche fliegen, kann man als Beobachter diesen Knall hören. Um zu verstehen woher dieser Knall kommt, muss man wissen welche Phänomene bei der Fortbewegung im Überschallbereich auftreten.

Man weiss, dass eine Schallquelle Schallwellen aussendet. Diese breiten sich kugelförmig um die Quelle aus(Bild 1). Befindet man sich als Beobachter im Bereich dieser Wellen, hört man den von der Quelle ausgesendeten Ton. Bewegt sich die Schallquelle fort, so werden die Wellenfronten am Bug der Schallquelle enger zusammen geschoben und hinter der Quelle auseinandergezogen(Bild 2). Ist die Geschwindigkeit der Schallquelle größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen selbst, so werden diese von der Quelle eingeholt und überlagern sich(Bild 3). Das macht sich mit einem starken Anstieg des Luftdrucks um den Bug der Schallquelle bemerkbar. Durch die Überlagerung der Schallwellen entsteht ein Kegel, der sogenannte Mach-Kegel. Außerhalb dieses Kegels kann man zum Beispiel ein vorüberfliegendes Flugzeug nicht hören, da dessen Schallwellen nicht schnell genug sind, um sich dort auszubreiten. Der Knall entsteht genau an der Stelle, wo der Mach-Kegel beginnt. Den plötzlichen Anstieg der Lautstärke nehmen wir nur als Knall wahr. Praktisch bedeutet das, dass zu dem Zeitpunkt, an dem sich das Überschallflugzeug über dem Beobachter befindet(Position 1), nichts zu hören ist. Erst wenn es schon etwas entfernt ist, hören wir die Triebwerke des Flugzeugs in Form des Knalls(Position 2). Daher dürfen solche Flugzeuge meist auch nur über fast unbesiedelten Gebieten fliegen.

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Amplitude: Die Amplitude ist die maximale Auslenkung eines Schwingers. Sie besitzt das Formelzeichen y_max .

Brechung: Die Brechung ist ein physikalisches Phänomen, das man bei Wellen beobachten kann. Dabei ändern Wellen ihre Richtung, wenn sie auf eine Grenzschicht treffen, an der sich ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert. Dabei liegen einfallende Welle, das Einfallslot und die reflektierte Welle auf einer Ebene. Nimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ab, also vom dichteren ins dünnere Medium, so erfolgt die Brechung zum Einfallslot hin. Nimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu, also vom dünneren ins dichtere Medium, so erfolgt die Brechung vom Lot weg. In der Zeichnung ist v₁>v₂ .

Eigenfrequenz: Die Eigenfrequenz eines Körpers hängt von seinen geometrischen Abmessungen und dem Material aus dem er besteht ab. Sie hat des Formelzeichen f₀ .

Erregerfrequenz: Die Erregerfrequenz ist die Frequenz des Tones, den die Schallquelle aussendet f_E .

Reflexionsgesetz: Trifft ein Schallstrahl auf ein Hindernis, so wird er reflektiert. Es gilt das Reflexionsgesetz:

Einfallswinkel = Reflexionswinkel ; ± = ± 

Resonanz: Die Resonanz ist ein allgegenwärtiges Phänomen der Physik. Meist tritt sie unerwünscht und störend auf. Man versteht darunter das Aufeinandertreffen zweier Schwingungen mit gleicher Frequenz. Ist also die Eigenfrequenz genauso groß wie die Erregerfrequenz, so tritt Resonanz auf. Das bedeutet, das der Schwinger im Resonanzfall seine maximale Amplitude erhält. Die Resonanzkurve zeigt, dass bei Erhöhung der Erregerfrequenz bei einem bestimmten Wert die maximale Amplitude einstellt. Genau an dieser Stelle ist die Erregerfrequenz gleich der Eigenfrequenz. Erhöht man die Erregerfrequenz weiter, nimmt die Amplitude wieder ab.

Resonanzkörper: Dies sind alle Körper, eine Eigenschwingung besitzen und damit in speziellen Fällen Resonanz erzeugen können. Meist besitzen diese Körper einen Hohlraum, einen Resonanzraum, um noch besser schwingen zu können.

Totalreflexion: (Licht) Die Totalreflexion tritt nur dann ein, wenn ein Lichtstrahl aus einem optisch dichteren Medium kommend auf die Grenzschicht zu einem optisch dünneren Medium trifft und der Einfallswinkel einen bestimmten Grenzwinkel ±_G überschreitet. Der Grenzwinkel errechnet sich indem man in die Gleichung für ² = 90° einsetzt.

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Hinter allen Schallerscheinungen stehen physikalische Gesetze. Um die Verschieden Phänomene in Verbindung mit Schall zu verstehen, muss man diese Gesetze kennen und miteinander verknüpfen. In der Wissenschaft ist dieses Wissen notwendig, um Probleme, die im Zusammenhang mit unerwünschten Nebeneffekten bei Schallquellen auftreten, zu lösen oder zu umgehen. Besonders bei der Materialforschung sollte man diese Probleme kennen und die Stoffe darauf abstimmen.

Im Allgemeinen ist es aufschlussreich die Hintergründe von tagtäglichen Schallerscheinungen zu wissen.

Wir hoffen diese Facharbeit hat ihnen einiges von diesem Wissen übermitteln können.

Pierre Hain, Christian Hochmuth 11.1