Schallgeschwindigkeit: Wie sie sich verändert und wie wir sie wahrnehmen

Was ist Schall?

Schwingung der Gitarrensaite und Entstehung der Schallwelle

Schall ist ein physikalisches Phänomen – das heißt, es passiert in der Natur. Schall besteht aus sogenannten Schallwellen. Diese entstehen und breiten sich aus, wenn etwas vibriert, also hin und her wackelt, zum Beispiel eine Gitarrensaite. Wenn die Saite schwingt, bringt sie die Luftmoleküle um sich herum in Bewegung. Diese Moleküle stoßen dann die nächsten an – so entsteht eine Kette von Bewegungen. Das nennen wir eine Schallwelle. Unsere Ohren nehmen diese Schallwellen und ihre Eigenschaften auf. Das Gehirn verarbeitet die Signale und wir hören den Ton. Deshalb müssen wir, wenn wir über die Schallgeschwindigkeit sprechen, sowohl die physikalischen Eigenschaften als auch unsere Wahrnehmung berücksichtigen. Erfahren Sie mehr darüber, was eine Schallwelle ist und wie Menschen Schall hören.

Was ist die Schallgeschwindigkeit und wie wird sie gemessen?

Schall besteht also aus Wellen, die durch Schwingungen entstehen und sich durch ein Material bewegen. Die Schallgeschwindigkeit sagt uns, wie schnell sich diese Wellen durch einen Stoff bewegen. Im Vakuum – das ist ein Raum ohne Luft oder andere Teilchen – gibt es keine Moleküle. Deshalb kann sich dort auch kein Schall ausbreiten. Im Vakuum gibt es also keinen Schall und keine Schallgeschwindigkeit. Meistens wird die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde (m/s) gemessen. Manchmal nimmt man auch Kilometer pro Stunde.

In Luft bei etwa 20°C breitet sich der Schall mit ungefähr 340 m/s aus, im Wasser sind es etwa 1500 m/s.

Was beeinflusst die Schallgeschwindigkeit?

Wovon hängt die Schallgeschwindigkeit ab? Sie hängt vor allem davon ab, durch welches Material der Schall geht. Wichtige Faktoren sind die Dichte (wie eng die Teilchen beieinander sind) und die Elastizität (wie leicht sie schwingen können). Zum Beispiel breitet sich Schall in Wasser schneller aus als in Luft, und in Metall noch schneller als in Wasser.

Die Geschwindigkeit des Schalls in der Luft kann sich auch ändern, je nachdem, welche Gase in der Luft sind und wie sie gemischt sind.

Zum Beispiel: Laut dem Physiker Dr. Carl Nave (HyperPhysics) ist die Schallgeschwindigkeit im Wasserdampf bei 35°C etwa 50 m/s höher als in Luft, und in Helium ist sie etwa dreimal so hoch (ungefähr 1000 m/s) wie in Luft. Wenn ein Mensch Helium einatmet, klingt seine Stimme höher und dünner, manchmal sogar lustig. Das liegt daran, dass Helium den Schall in den Atemwegen viel schneller weiterleitet.

Die Schallgeschwindigkeit beträgt 340 m/s, die Geschwindigkeit hängt von der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung der Luft ab

Auch die Temperatur spielt eine Rolle: Je wärmer es ist, desto schneller breitet sich der Schall aus. Zum Beispiel: Bei 20 Grad Celsius bewegt sich der Schall in Luft mit etwa 343 m/s, bei 0 Grad mit 331 m/s und bei 35 Grad mit 352 m/s.

Auch der Luftdruck hat einen kleinen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit.

Die Schallgeschwindigkeit hängt von Dichte, Elastizität, Temperatur, Zusammensetzung und Druck des Materials ab. Deshalb ist sie in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen unterschiedlich.

Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Materialien

Wie schon gesagt: Die Geschwindigkeit des Schalls hängt davon ab, wie dicht die Teilchen im Material gepackt sind. In Flüssigkeiten und Feststoffen (wie Holz oder Metall) sind die Teilchen näher beieinander als in Gasen (wie Luft). Deshalb breitet sich der Schall dort schneller aus. In Gasen sind die Teilchen weiter auseinander – darum ist der Schall dort langsamer. Im Vakuum gibt es keine Teilchen, also kann sich dort kein Schall ausbreiten.

In Tabelle 1 sieht man die Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Materialien.

Tabelle 1. Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Materialien

Wie Menschen die Schallgeschwindigkeit wahrnehmen

Man denkt oft, dass der Ton sofort nach seiner Entstehung im Ohr ankommt – aber das stimmt nicht ganz. Der Schall braucht etwas Zeit, um zum Zuhörer zu gelangen. Zum Beispiel: Wenn eine Geräuschquelle 100 Meter entfernt ist, braucht der Ton etwa 0,3 Sekunden bis zum Ohr.

BEISPIEL: Bei einem Gewitter sehen wir zuerst den Blitz und hören erst einige Sekunden später den Donner. Das liegt daran, dass Licht viel schneller ist als Schall. Wenn Sie den Donner 6 Sekunden nach dem Blitz hören, war der Blitz etwa zwei Kilometer entfernt.

Im Alltag bemerken wir kleine Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit kaum. Sie beeinflussen nur den Moment, wann der Ton bei uns ankommt.

Die Verzögerung beim Übertragen des Tons – also seine Geschwindigkeit – beeinflusst, was wir hören und wie wir es verstehen. Unser Gehirn merkt sich kleine Unterschiede zwischen den Ohren, erkennt Echo und Nachhall sowie direkten und reflektierten Ton. So können wir feststellen, aus welcher Richtung ein Ton kommt und nehmen Klänge räumlich wahr.

Nachhall (Reverberation) und das Gefühl von Raumklang

Reverberation in einem Konzertsaal - voluminöser und tiefer Klang, Gefühl der Größe

Schall breitet sich von seiner Quelle kugelförmig nach allen Seiten aus. Wenn er auf Hindernisse trifft (wie Wände oder Möbel), wird er zurückgeworfen. Der Ton kann auch um Ecken herumgehen. Wenn der Ton von vielen Flächen zurückgeworfen wird, nennt man das Nachhall oder Reverberation.

Nachhall gibt uns das Gefühl für den Raum um uns herum und hilft uns zu erkennen, woher ein Ton kommt. Ein starkes Echo kann aber auch stören und macht es schwerer, den direkten Ton zu hören.

Fazit

Obwohl sich der Schall schnell ausbreitet, nehmen wir ihn eher als einen Prozess denn als einen Moment wahr. Unsere Wahrnehmung der Schallgeschwindigkeit oder von Verzögerungen bei der Schallübertragung ist das Ergebnis einer komplexen Zusammenarbeit zwischen Gehör und Gehirn. Deshalb sind die Raumakustik und Verzögerungen in Audiosystemen so entscheidend für die Klangqualität und den Hörkomfort.

Schallgeschwindigkeit in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern: Wovon sie abhängt und wie Menschen sie wahrnehmen