1.1 Schall
Schall ist Schwingung von festen, flüssigen oder gasförmigen Medien. Die Moleküle der Luft oder die Kristallgitterbausteine in Festkörpern führen diese Schwingungen in der Ausbreitungsrichtung des Schalls aus. Dabei entstehen Bereiche mit erhöhter und solche mit verminderter Dichte, die sich über das entsprechende Medium ausbreiten. Je nach Beschaffenheit des Mediums wird dabei zwischen Luftschall (gasförmige Stoffe), Körperschall (feste Stoffe) und Flüssigkeitsschall (flüssige Stoffe) unterschieden.
Schall breitet sich in Abhängigkeit des Mediums unterschiedlich schnell aus. Der Luftschall breitet sich beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 334 m/s (bei 20 °C, 105 Pa) als Longitudinalwelle aus und wird unterteilt in Ton, Klang und Geräusch. Im allgemeinen Fall eines Geräusches findet die zeitliche und räumliche Änderung des Schalldruckes in unregelmäßiger Form statt. Periodische Schwingungen werden als Klang bezeichnet. Ein Ton ist Schall, der sich als sinusförmige Druckschwankung darstellen lässt. Die Tonhöhe hängt von der Frequenz ab und wird bestimmt als Anzahl der Schwingungen je Sekunde; die Maßeinheit ist Hertz (Hz).
Bei der Zusammensetzung von Schall aus Tönen verschiedener Frequenzen müssen 2 Fälle unterschieden werden (Abb. 1):
- Geräusche sind Schallerscheinungen aus Tönen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude und lassen keine Regelmäßigkeiten erkennen.
- Klänge haben dagegen ebenso wie Töne einen periodischen Schalldruckverlauf. Sie entstehen durch Mischung von Tönen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz sind.
Abb. 1: Zeitverläufe des Schalldruckes (oben: Ton; unten: Geräusch)
Schall ist innerhalb eines großen Frequenzbereiches wahrnehmbar. Dabei wird unterschieden zwischen:
- Infraschall (ca. < 16 Hz, z. B. Windgeräusche);
- Hörschall (ca. 16–16.000 Hz);
- Ultraschall (ca. > 16.000 Hz, z. B. Echolot).
1.2 Schallleistung/Geräuschemission/Geräuschimmission
Die von einer Schallquelle je Zeiteinheit abgestrahlte Energie (Geräuschemission) ist die Schallleistung P. Wird die Schallleistung P auf eine Fläche S bezogen, so ergibt sich die Schallintensität I; die Maßeinheit der Schallleistung ist Watt (W).
Der Schalleistungspegel LW wird definiert als
wobei für die Beurteilung der Einwirkung auf den Menschen (Geräuschimmission) aus praktischen Gründen ein logarithmischer Maßstab benutzt und die Hörschwelle P0 = 10-12 W als Bezugsschallleistung verwendet wird.
1.3 Schalldruckpegel
Der Schalldruck (Lautstärke) ist ein durch Schallschwingungen hervorgerufener Wechseldruck. Aus praktischen Gründen wird jedoch der Schalldruckpegel gemessen. Die Maßeinheit ist Dezibel (dB). Der Schalldruckpegel ist definiert als
(mit p = effektiver Schalldruck (in Pa.) und p0 = Bezugsschalldruck 2*10-5 Pa.)
Dabei kennzeichnet der Bezugsschalldruck p0 die Reiz- bzw. Hörschwelle bei jugendlichen Menschen, bei denen der kleinste Schalldruck bei einer Frequenz von 1.000 Hz noch wahrgenommen wird. Die Schmerzgrenze liegt bei einem Druck von p = 20 Pa = 120 dB. Das Spektrum der für den Menschen wahrnehmbaren Frequenzen erstreckt sich von 16 Hz bis 16 kHz (der Sprachbereich liegt zwischen ca. 150 Hz und ca. 5 kHz – s. auch Abb. 2). Die nicht mehr hörbaren Frequenzen unterhalb 16 Hz werden als Infraschall bezeichnet und in Form von mechanischen Schwingungen (Vibrationen) wahrgenommen. Schall mit Frequenzen von über 16 kHz wird Ultraschall genannt und kann vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen werden.
Aus der Schallleistung und der Schallintensität ergibt sich die Maßeinheit Dezibel (dB). Die Schallleistungsdichte (Schallleistung und Schallintensität) ist dem Quadrat des Schalldrucks proportional. Der Bezugsschalldruck p0 = 2*10-5 Pa entspricht der Schallleistungsdichte 10-12 W/m2. Erhöht sich die Schallleistungsdichte auf 10-11 W/m2, so wird diese Potenzzahl als Maßeinheit 1 Bel = 10 Dezibel genommen. Steigt die Schallleistungsdichte auf 10-10 W/m2, so ergeben sich 20 Dezibel (20 dB). Danach ergibt sich für eine Erhöhung des Schalldruckpegels um 20 dB ein zehnfacher Schalldruck.
Abb. 2: Hörfeld des gesunden Ohrs[1]
Schalldruckpegel können aufgrund des logarithmischen Zusammenhangs nicht einfach addiert werden, wenn beispielsweise eine zweite Schallquelle zu einer bereits vorhandenen hinzukommt. Für die Addition von 2 Schallquellen muss zunächst die Differenz ermittelt werden. Beträgt die Differenz 0 dB (gleichstarke Geräuschquellen), erhöht sich der Gesamtpegel um 3 dB.
0 Dezibel + 0 Dezibel = 3 Dezibel
Schalldruckpegel
10 dB(A) aufwärts/abwärts bedeutet eine Verdoppelung/Halbierung der Lautstärke!
3 dB(A) aufwärts/abwärts bedeutet eine Verdoppelung/Halbierung der Gehörgefährdung!
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