Eine Schallwelle ist eine Art von Druckwelle, die durch die Schwingung eines Objekts in einem leitfähigen Medium wie Luft verursacht wird. Wenn das Objekt vibriert, sendet es eine Reihe von Wellen aus, die als Schall interpretiert werden können. Wenn beispielsweise jemand auf eine Trommel schlägt, vibriert die Membran der Trommel, und die Vibration wird durch die Luft übertragen, wo sie das Ohr eines Zuhörers erreichen kann. Vibrationen breiten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch verschiedene Medien aus, können sich jedoch nicht durch ein Vakuum ausbreiten. Abgesehen von der Kommunikation werden Schallwellen verwendet, um Bilder von unzugänglichen Objekten und Strukturen zu liefern, bei ozeanischen Vermessungen und in der Geologie und Seismologie.
Wellenarten
Schall breitet sich als Longitudinalwellen durch Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe aus. Dies bedeutet, dass die Kompression des Mediums in die gleiche Richtung erfolgt, in der sich der Schall ausbreitet. In Festkörpern und an der Oberfläche von Flüssigkeiten können sich Schwingungen auch als Transversalwellen ausbreiten. Bei diesen erfolgt die Kompression quer zur Bewegungsrichtung.
Die Schallgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeit, mit der sich der Schall ausbreitet, hängt von der Dichte des Mediums ab, durch das er sich bewegt. Es bewegt sich schneller durch dichtere Medien und ist daher in Feststoffen schneller als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten schneller als in Gasen. Unter bekannten, irdischen Bedingungen ist die Schallgeschwindigkeit immer enorm geringer als die des Lichts, aber im superdichten Material eines Neutronensterns kann sie der Lichtgeschwindigkeit ziemlich nahe kommen. Der Geschwindigkeitsunterschied durch die Luft zeigt sich für einen entfernten Beobachter an der Verzögerung zwischen Blitz und Donner: Das Licht trifft fast augenblicklich ein, aber das Geräusch braucht eine merkliche Zeit.
Die Schallgeschwindigkeit in Luft variiert mit Druck und Temperatur, wobei höhere Drücke und Temperaturen zu höheren Geschwindigkeiten führen. Bei 68 °C (20 °F) und dem Standarddruck auf Meereshöhe beträgt er beispielsweise 1,126 Meter pro Sekunde. Im Wasser ist die Geschwindigkeit wiederum temperaturabhängig; bei 343.3 °C (68 °F) beträgt sie 20 ft/s (4,859 m/s). Die Geschwindigkeit bei Feststoffen ist sehr variabel, aber einige typische Werte sind 1,481 ft/s (13,700 m/s) in Ziegelstein, 4,176 ft/s (20,000 m/s) in Stahl und 6,100 ft/s (39,400 m/s) im Diamanten.
Wellenlänge, Frequenz und Amplitude
Schall kann durch Wellenlänge, Frequenz und Amplitude beschrieben werden. Die Wellenlänge ist definiert als die Entfernung, die benötigt wird, um einen vollständigen Zyklus abzuschließen. Ein vollständiger Zyklus bewegt sich von Spitze zu Spitze oder von Tal zu Tal.
Frequenz ist ein Begriff, der verwendet wird, um die Anzahl vollständiger Zyklen innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu beschreiben, sodass kürzere Wellenlängen höhere Frequenzen haben. Sie wird in Hertz (Hz) gemessen, wobei ein Hertz einem Zyklus pro Sekunde entspricht, und Kilohertz (kHz), wobei ein kHz 1,000 Hz entspricht. Menschen können Töne im Bereich von 20 Hz bis etwa 20 kHz hören, aber Vibrationen können viel niedrigere oder höhere Frequenzen haben. Das Gehör vieler Tiere geht über den menschlichen Bereich hinaus. Schwingungen, die unterhalb des menschlichen Hörbereichs liegen, werden als Infraschall bezeichnet, während Schwingungen oberhalb dieses Bereichs als Ultraschall bezeichnet werden.
Die Tonhöhe eines Tons hängt von der Frequenz ab, wobei höhere Tonhöhen höhere Frequenzen haben. Die Amplitude ist die Höhe der Wellen und beschreibt die mitgeführte Energiemenge. Hohe Amplituden haben höhere Lautstärken.
Wellenphänomene
Schallwellen unterliegen vielen der mit Lichtwellen verbundenen Phänomene. Zum Beispiel können sie von Oberflächen reflektiert werden, sie können an Hindernissen gebeugt werden und sie können eine Brechung erfahren, wenn sie zwischen zwei verschiedenen Medien wie Luft und Wasser hindurchtreten, ähnlich wie Licht. Ein weiteres gemeinsames Phänomen ist die Interferenz. Wenn Schallwellen von zwei verschiedenen Quellen aufeinandertreffen, können sie sich dort verstärken, wo die Spitzen und Täler zusammenfallen, und sich gegenseitig aufheben, wo die Spitze auf die Täler trifft, wodurch ein Interferenzmuster mit lauten und leisen Bereichen entsteht. Wenn die Schwingungen unterschiedliche Frequenzen haben, kann dies einen gepulsten Effekt oder einen „Beat“ im kombinierten Klang erzeugen.
Applikationen
Schallwellen haben viele Anwendungen in Wissenschaft und Medizin. Mit Ultraschall können medizinische Probleme untersucht und wichtige Kontrollen durchgeführt werden. Eine bekannte Anwendung ist eine Ultraschalluntersuchung, mit der ein Bild eines ungeborenen Kindes erstellt wird, um dessen Gesundheitszustand zu überprüfen, wo eine Röntgenaufnahme nicht sicher wäre. Schallimpulse, sogenannte Sonar, können verwendet werden, um den Meeresboden zu kartieren, indem die Zeit bis zum Empfang eines Echos genau gemessen wird.
In der Seismologie kann die innere Struktur der Erde durch die Beobachtung der Ausbreitung von Schallwellen untersucht werden. Da sich Transversalwellen nicht durch Flüssigkeiten ausbreiten können, kann diese Technik verwendet werden, um Bereiche von geschmolzenem Gestein unter der Oberfläche zu kartieren. Normalerweise wird Schall durch eine Explosion erzeugt, und die Schwingungen werden an verschiedenen entfernten Punkten aufgenommen, nachdem sie durch die Erde gewandert sind. Durch Untersuchung des Musters von Transversalwellen – in diesem Zusammenhang als „S-Wellen“ bekannt – und Longitudinalwellen – bekannt als „P-Wellen“ – kann eine genaue dreidimensionale Karte erstellt werden, die die Verteilung von festem und geschmolzenem Gestein zeigt .