Schallfeldgrößen

1. Schallfeld

Das Gebiet, in dem sich Schallwellen ausbreiten, wird als Schallfeld bezeichnet. Eine Schallwelle ist eine erzwungene mechanische Schwingung elastischer Materie. Hierzu ist ein Medium notwendig. Im Vakuum gibt es also keine Schallwellen. Eine Schallwelle breitet sich mit der Zeit im Raum aus. Breiten sich Schallwellen im Festkörper aus, spricht man von Körperschall. In Flüssigkeiten werden diese als Flüssigkeitsschall und in Luft als Luftschall bezeichnet.

2. Schallfeldgrößen

In Luft wird ein konstanter Luftdruck angenommen. Diese Annahme ist normalerweise über einen kurzen Zeitraum gerechtfertigt. Dabei schwanken folgende Größen in der Luft:

den Schallwechseldruck $p$ in $\mathrm{Pa} = \dfrac{\mathrm{N}}{\mathrm{m}^2}$ ,

die Schallschnelle (Wechselgeschwindigkeit der Luftteilchen) $v$ in $\dfrac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$ .

Es gibt eigentlich noch einige weitere Schallfeldgrößen, die für die Tontechnik allerdings von geringerer Bedeutung sind. Prinzipiell gibt es Schalldruck, Schallauslenkung, Schallschnelle, Schallbeschleunigung und Schallfluss.

2.1. Schallwechseldruck

Der Schallwechseldruck, oder meistens Schalldruck, ist eine der wichtigsten Schallfeldgrößen in der Tontechnik. Als Schalldruck werden die Druckschwankungen eines kompressiblen Schallübertragungsmediums (in der Tontechnik meistens Luft) bezeichnet, die bei der Ausbreitung von Schall auftreten.

Abb. 1: Schalldruck als Überlagerung des statischen Luftdrucks und des Schallwechseldrucks

In Luft überlagert der deutlich geringere Schallwechseldruck den (quasi)statischen Luftdruck. Die Abbildung 1 veranschaulicht die Größenverhältnisse des Luftdrucks und des Wechselanteils. Der Luftdruck ist um vielfaches größer als der Schallwechseldruck. Trotzdem sind unsere Ohren auf diesen Wechselanteil ausgelegt.

In der Tontechnik spricht man meistens vom Schalldruck. Dabei ist allerdings größte Vorsicht geboten, denn damit ist in der Regel der Effektivwert des Schallwechseldrucks gemeint.

2.2. Schallschnelle

Die Schallschnelle $\vec{v}$ gibt an, mit welcher Wechselgeschwindigkeit die Luftteilchen um ihre Ruhelage schwingen. Die Schallschnelle darf nicht mit der Schallgeschwindigkeit verwechselt werden. Es sind absolut unterschiedliche Dinge. Die unten dargestellte Animation veranschaulicht die Schallschnelle. Auch wenn sich eine Schallwelle von links nach rechts ausbreitet, so bewegt sich ein Teilchen nur hin und her um die Ruhelage. Was in der Regel vorausgesetzt, aber häufig nicht erwähnt wird, ist dass kein Massentransport stattfindet. Die Luft strömt also nicht.

Anim. 1: Animation zur Veranschulichung der Schallschnelle. Der rot markierte Punkte bewegt sich nur hin und her aus der Ruhelage.

3. Schallwellen

Die Animation 2 veranschaulicht die Ausbreitung einer akustischen Welle. Dabei werden die Teilchen nur sinusförmig aus der gedachten Ruhelage bewegt. Die einzelnen Teilchen bewegen sich nicht von links nach rechts. Die roten Bereiche sind Bereiche mit höherer Teilchenkonzentration. Das ist der Bereich mit dem höheren Druck. Die blauen Bereiche sind diejenigen mit dem Unterdruck, also einem kleineren Druck, als der Luftdruck.

Anim. 2: Ausbreitung einer ebenen Welle

Die Animation 2 veranschaulicht die Ausbreitung einer akustischen Welle. Bei der Welle in Animation 2 handelt es sich um eine ebene Welle. Weitere typische Wellenformen sind Kugel- und Zylinderwellen.