Akustik

[P] Aus welchen drei Bereichen besteht das menschliche Ohr?

Das menschliche Ohr besteht aus Außenohr, Mittelohr und Innenohr. Das Außenohr nimmt Schallwellen auf, das Mittelohr überträgt und verstärkt die Schwingungen und das Innenohr wandelt sie in elektrische Nervensignale um.

[P] Welche Aufgabe hat das Außenohr beim Hören?

Das Außenohr besteht vor allem aus Ohrmuschel und äußerem Gehörgang. Die Ohrmuschel fängt Schallwellen auf und leitet sie durch den Gehörgang zum Trommelfell.

[P] Welche Aufgabe haben Trommelfell und Gehörknöchelchen?

Die Schallwellen versetzen das Trommelfell in Schwingung. Diese Schwingungen werden über die drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel weitergeleitet und verstärkt. Der Steigbügel überträgt sie über das ovale Fenster auf das Innenohr.

[P] Welche Aufgabe hat die Hörschnecke beim Hören?

Die Hörschnecke (Cochlea) liegt im Innenohr und ist mit Flüssigkeit gefüllt. Die vom Mittelohr übertragenen Schwingungen erzeugen Flüssigkeitsbewegungen. Dadurch werden Sinneszellen mit feinen Haarfortsätzen im Corti-Organ gereizt und erzeugen elektrische Nervensignale.

[P] Wie läuft der Hörvorgang vom Schall bis zur Wahrnehmung ab?

Schallwellen → Ohrmuschel → Gehörgang → Trommelfell schwingt → Hammer, Amboss und Steigbügel übertragen die Schwingung → Flüssigkeit in der Hörschnecke wird bewegt → Haarzellen werden gereizt → elektrische Signale entstehen → Hörnerv leitet sie zum Gehirn → Schall wird wahrgenommen.

[V] Wie kann das Ohr verschiedene Tonhöhen unterscheiden?

Unterschiedliche Frequenzen führen dazu, dass unterschiedliche Bereiche der Basilarmembran in der Hörschnecke besonders stark angeregt werden. Dadurch kann das Gehirn unterscheiden, ob ein Ton hoch oder tief ist.

[P] Was versteht man unter Lärm?

Lärm ist unerwünschter, störender oder gesundheitsschädlicher Schall. Ob ein Geräusch als Lärm empfunden wird, hängt nicht nur vom Schallpegel ab, sondern auch von Dauer, Frequenz, Situation und persönlicher Wahrnehmung.

[P] Was versteht man unter Lärmverschmutzung?

Lärmverschmutzung oder Umgebungslärm bezeichnet eine starke oder dauerhafte Belastung der Umwelt durch unerwünschten Schall. Wichtige Quellen sind Straßen-, Bahn- und Flugverkehr, Industrie, Baustellen sowie teilweise Freizeitaktivitäten.

[P] Wovon hängt die Schädlichkeit von Lärm ab?

Die Schädlichkeit hängt besonders vom Schalldruckpegel, der Dauer der Einwirkung, der Häufigkeit der Belastung und der Frequenzzusammensetzung ab. Je höher der Schallpegel und je länger die Einwirkungsdauer, desto größer ist grundsätzlich das Risiko für Hörschäden.

[P] Welche direkten Auswirkungen kann starker Lärm auf das Gehör haben?

Starker oder lang andauernder Lärm kann die empfindlichen Haarzellen im Innenohr schädigen. Folgen können vorübergehende Hörminderung, dauerhafte Schwerhörigkeit oder Tinnitus sein. Sehr starke Schallereignisse können unmittelbar Schäden verursachen.

[P] Warum kann dauerhafte Lärmbelastung zu bleibender Schwerhörigkeit führen?

Bei hoher oder lang andauernder Schallbelastung können die Haarzellen im Innenohr geschädigt oder zerstört werden. Diese Sinneszellen regenerieren sich beim Menschen kaum bzw. nicht ausreichend. Deshalb kann ein dadurch entstandener Hörverlust dauerhaft sein.

[P] Was ist Tinnitus?

Tinnitus bezeichnet die Wahrnehmung eines Geräusches ohne entsprechende äußere Schallquelle, zum Beispiel Pfeifen, Piepen, Summen oder Rauschen. Starke Lärmbelastung kann Tinnitus auslösen oder begünstigen.

[P] Welche Auswirkungen kann Lärm außerhalb des Gehörs haben?

Lärm kann Stressreaktionen auslösen und unter anderem Schlaf, Konzentration und Leistungsfähigkeit beeinträchtigen. Dauerhafte Lärmbelastung kann außerdem das Herz-Kreislauf-System belasten und das allgemeine Wohlbefinden vermindern.

[P] Warum kann Lärm auch während des Schlafens gesundheitlich belastend sein?

Das Gehör und der Körper reagieren auch während des Schlafs auf Geräusche. Lärm kann den Schlaf stören, Aufwachreaktionen verursachen und Stressreaktionen auslösen. Dadurch kann die Erholung beeinträchtigt werden, auch wenn man sich nicht an jedes Geräusch erinnert.

[P] Was versteht man unter Lärmbekämpfung?

Lärmbekämpfung umfasst Maßnahmen, die die Entstehung, Ausbreitung oder Einwirkung von störendem bzw. gesundheitsschädlichem Schall verringern. Besonders wirksam ist es, Lärm möglichst direkt an seiner Quelle zu reduzieren.

[P] Auf welchen drei Ebenen kann Lärm bekämpft werden?

Lärmschutz kann an drei Stellen erfolgen: 1. an der Schallquelle, z. B. leisere Maschinen oder Fahrzeuge; 2. auf dem Ausbreitungsweg, z. B. Lärmschutzwände, Schalldämmung oder größere Entfernung; 3. beim Empfänger, z. B. Gehörschutz wie Ohrstöpsel oder Kapselgehörschutz.

[P] Welche Maßnahmen können Lärm direkt an der Quelle reduzieren?

Beispiele sind leisere Maschinen und Geräte, regelmäßige Wartung, lärmarme Reifen und Fahrzeuge, Verringerung unnötiger Schwingungen, geringere Fahrgeschwindigkeiten sowie organisatorische Maßnahmen wie zeitliche Beschränkungen lärmintensiver Arbeiten.

[P] Wie kann die Ausbreitung von Lärm vermindert werden?

Die Ausbreitung kann z. B. durch Lärmschutzwände, schalldämmende Bauteile, geeignete Gebäudeplanung, größere Entfernung zur Schallquelle und schallabsorbierende Materialien vermindert werden.

[P] Wie kann man das eigene Gehör vor Lärm schützen?

Hohe Lautstärken vermeiden, die Dauer der Lärmbelastung begrenzen, Abstand zu lauten Schallquellen vergrößern, regelmäßige Ruhepausen einlegen und bei hoher Lärmbelastung geeigneten Gehörschutz wie Ohrstöpsel oder Kapselgehörschutz verwenden.

[V] Warum hilft ein größerer Abstand zur Schallquelle gegen Lärm?

Mit zunehmender Entfernung verteilt sich die Schallenergie auf eine größere Fläche, wodurch die Schallintensität und normalerweise auch der Schalldruckpegel abnehmen. Deshalb kann bereits ein größerer Abstand zur Schallquelle die Belastung deutlich reduzieren.

[P] Erkläre den Zusammenhang zwischen Schall, Gehör und Lärmschäden.

Schall besteht aus mechanischen Druckschwankungen, die über das Außenohr zum Trommelfell gelangen. Trommelfell und Gehörknöchelchen übertragen die Schwingungen auf das Innenohr. In der Hörschnecke werden Haarzellen gereizt und die Information über den Hörnerv zum Gehirn geleitet. Bei zu hoher oder zu langer Schallbelastung können diese empfindlichen Haarzellen geschädigt werden. Dadurch können Schwerhörigkeit oder Tinnitus entstehen. Schutz bieten vor allem geringere Lautstärke, kürzere Belastungsdauer, größerer Abstand und Gehörschutz.

[P] Erkläre Akustik in einer zusammenhängenden Matura-Antwort.

Akustik ist die Lehre vom Schall. Schall entsteht durch mechanische Schwingungen und breitet sich als mechanische Welle durch ein Medium aus; im Vakuum ist keine Schallausbreitung möglich. Die Frequenz in Hertz bestimmt vor allem die Tonhöhe, während die Stärke der Druckschwankungen mit dem Schalldruck zusammenhängt. Der Schalldruckpegel wird in Dezibel angegeben. Schall kann mit einem Mikrofon bzw. Schallpegelmessgerät erfasst und als zeitlicher Verlauf oder Frequenzspektrum dargestellt werden. Das Ohr wandelt die mechanischen Schwingungen über Trommelfell, Gehörknöchelchen und Hörschnecke in Nervensignale um. Zu starker oder lang andauernder Lärm kann die Haarzellen im Innenohr schädigen und unter anderem Schwerhörigkeit oder Tinnitus verursachen. Lärm kann an der Quelle, auf dem Ausbreitungsweg oder beim Empfänger bekämpft werden.

[P] Was ist Schalldruck?

Schall breitet sich in Luft durch abwechselnde Verdichtungen und Verdünnungen aus. Dadurch entstehen kleine Druckschwankungen gegenüber dem normalen Luftdruck. Diese Druckschwankungen nennt man Schalldruck p. Die Einheit des Schalldrucks ist Pascal (Pa).

[P] Wie hängen Schalldruck und Lautstärke zusammen?

Je größer die Druckschwankungen bzw. der Schalldruck sind, desto stärker ist der Schall und desto lauter wird er im Allgemeinen wahrgenommen. Die wahrgenommene Lautstärke hängt aber zusätzlich von der Frequenz und der Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs ab.

[P] Was ist der Schalldruckpegel?

Der Schalldruckpegel beschreibt die Stärke eines Schalls auf einer logarithmischen Skala. Er wird in Dezibel (dB) angegeben. Als Bezugswert dient ungefähr die Hörschwelle des Menschen bei 1000 Hz mit einem Schalldruck von 20 µPa.

[P] Warum wird der Schalldruckpegel in Dezibel angegeben?

Das menschliche Ohr kann einen sehr großen Bereich von Schalldrücken wahrnehmen. Eine logarithmische Dezibelskala macht diesen großen Bereich übersichtlich darstellbar und passt besser zur Wahrnehmung des Gehörs als eine lineare Skala.

[P] Was bedeutet die logarithmische Dezibelskala?

Die Dezibelskala steigt nicht gleichmäßig mit der physikalischen Schallintensität. Eine Erhöhung des Schallpegels um 10 dB entspricht einer Verzehnfachung der Schallintensität. Eine Erhöhung um etwa 3 dB entspricht ungefähr einer Verdopplung der Schallintensität.

[V] Bedeutet eine Erhöhung um 10 dB, dass ein Geräusch zehnmal so laut wahrgenommen wird?

Nein. Physikalisch entspricht +10 dB einer Verzehnfachung der Schallintensität. Subjektiv wird eine Erhöhung um ungefähr 10 dB häufig etwa als Verdopplung der Lautstärke wahrgenommen. Physikalische Schallstärke und wahrgenommene Lautstärke sind daher nicht dasselbe.

[P] Was ist die Hörschwelle?

Die Hörschwelle ist der niedrigste Schalldruckpegel, den ein gesundes menschliches Ohr unter günstigen Bedingungen wahrnehmen kann. Bei etwa 1000 Hz liegt sie ungefähr bei 0 dB. Die Hörschwelle hängt jedoch von der Frequenz ab.

[P] Was ist die Schmerzschwelle des menschlichen Gehörs?

Sehr hohe Schallpegel von ungefähr 120 bis 130 dB können als schmerzhaft empfunden werden. Bereits niedrigere Pegel können bei längerer Einwirkung das Gehör schädigen. Entscheidend für das Risiko sind sowohl die Lautstärke als auch die Dauer der Belastung.

[P] Warum werden gleich starke Schallwellen verschiedener Frequenzen nicht immer gleich laut wahrgenommen?

Das menschliche Ohr ist nicht für alle Frequenzen gleich empfindlich. Besonders empfindlich ist es ungefähr im Bereich von 2 bis 5 kHz. Deshalb können Schallereignisse mit gleichem physikalischem Schalldruck unterschiedlich laut wahrgenommen werden.

[P] Wie kann Schall gemessen werden?

Der Schallpegel kann mit einem Schallpegelmessgerät gemessen werden. Ein Mikrofon wandelt die Druckschwankungen der Schallwelle in ein elektrisches Signal um. Daraus kann unter anderem der Schalldruckpegel in Dezibel bestimmt werden.

[P] Wie funktioniert ein Mikrofon grundsätzlich?

Bei einem Mikrofon versetzen Schallwellen eine Membran in Schwingung. Diese mechanischen Schwingungen werden in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal kann anschließend verstärkt, gespeichert, gemessen oder grafisch dargestellt werden.

[P] Wie kann Schall als Schwingung grafisch dargestellt werden?

Schall kann in einem Zeitdiagramm dargestellt werden. Auf der x-Achse steht die Zeit und auf der y-Achse die Auslenkung, der Schalldruck oder die elektrische Signalstärke. An der Darstellung können unter anderem Amplitude und Periodendauer erkannt werden.

[P] Was kann man aus einem Zeitdiagramm einer Schallwelle ablesen?

Die Amplitude zeigt die Stärke der Schwingung. Die Periodendauer T gibt die Dauer einer vollständigen Schwingung an. Daraus kann mit f = 1/T die Frequenz bestimmt werden. Eng aufeinanderfolgende Schwingungen bedeuten eine höhere Frequenz als weit auseinanderliegende.

[P] Wie erkennt man in einer Schwingungsdarstellung einen hohen bzw. tiefen Ton?

Ein hoher Ton besitzt eine hohe Frequenz und deshalb viele Schwingungen innerhalb derselben Zeit. Ein tiefer Ton besitzt eine niedrige Frequenz und entsprechend weniger Schwingungen innerhalb derselben Zeit.

[P] Wie erkennt man in einer Schwingungsdarstellung einen stärkeren bzw. schwächeren Schall?

Ein stärkerer Schall besitzt größere Druckschwankungen und wird im Zeitdiagramm durch eine größere Amplitude dargestellt. Ein schwächerer Schall besitzt eine kleinere Amplitude. Die Frequenz kann dabei gleich bleiben.

[V] Was ist ein Frequenzspektrum?

Ein Frequenzspektrum zeigt, aus welchen Frequenzen ein Schall besteht und wie stark diese Frequenzanteile vertreten sind. Dadurch kann man z. B. einen reinen Ton von einem komplexen Klang oder Geräusch unterscheiden.

[V] Wie werden Schallsignale gespeichert?

Ein Mikrofon wandelt Schall zunächst in ein elektrisches Signal um. Bei digitaler Speicherung wird dieses Signal in kurzen Zeitabständen abgetastet und in Zahlenwerte umgewandelt. Diese digitalen Daten können gespeichert, verarbeitet und später wieder in Schall umgewandelt werden.

[P] Wovon hängen Tonhöhe und Lautstärke hauptsächlich ab?

Die Tonhöhe hängt hauptsächlich von der Frequenz ab: hohe Frequenz = hoher Ton, niedrige Frequenz = tiefer Ton. Die Stärke des Schalls hängt mit der Amplitude bzw. dem Schalldruck zusammen: größere Druckschwankungen bedeuten stärkeren Schall. Die tatsächlich wahrgenommene Lautstärke hängt zusätzlich von der Frequenz und der Empfindlichkeit des Gehörs ab.

[P] Was versteht man unter Akustik?

Die Akustik ist die Lehre vom Schall. Sie beschäftigt sich mit der Entstehung, Erzeugung, Ausbreitung, den Eigenschaften und der Messung von Schall sowie mit seiner Wahrnehmung und den Auswirkungen und der Bekämpfung von Lärm.

[P] Was ist eine Welle?

Eine Welle ist die räumliche Ausbreitung einer Schwingung. Dabei wird Energie übertragen, aber keine Materie dauerhaft transportiert. Bei mechanischen Wellen schwingen die Teilchen des Mediums um ihre Ruhelage.

[P] Was ist der Unterschied zwischen mechanischen und elektromagnetischen Wellen?

Mechanische Wellen benötigen ein Medium bzw. einen Träger wie Luft, Wasser oder einen Festkörper und können sich nicht im Vakuum ausbreiten. Beispiel: Schallwellen. Elektromagnetische Wellen benötigen kein Medium und können sich auch im Vakuum ausbreiten. Beispiele: Licht, Radiowellen, Mikrowellen und Röntgenstrahlung.

[P] Was ist Schall und wie entsteht er?

Schall entsteht durch mechanische Schwingungen einer Schallquelle, z. B. von Stimmbändern, einer Lautsprechermembran oder einer Gitarrensaite. Die Schwingung versetzt benachbarte Teilchen eines Mediums in Bewegung und breitet sich als Schallwelle aus. Schall ist daher eine mechanische Welle.

[P] Wie breitet sich Schall in Luft aus?

Schall breitet sich in Luft als Longitudinalwelle aus. Die Luftteilchen schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung. Dabei entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die sich als Druckschwankungen ausbreiten.

[V] Was ist der Unterschied zwischen Longitudinal- und Transversalwellen?

Bei Longitudinalwellen schwingen die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung, z. B. bei Schall in Luft. Bei Transversalwellen erfolgt die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. In Festkörpern können sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen auftreten.

[P] In welchen Medien kann sich Schall ausbreiten?

Schall kann sich in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten. Er benötigt immer ein Medium und kann sich deshalb nicht im Vakuum ausbreiten.

[P] Was versteht man unter Schallgeschwindigkeit?

Die Schallgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich eine Schallwelle in einem Medium ausbreitet. In Luft bei etwa 20 °C beträgt sie ungefähr 340 m/s. Sie hängt vom Medium und von der Temperatur ab. In Flüssigkeiten und Festkörpern ist sie normalerweise höher als in Luft.

[P] Was ist die Frequenz und was bestimmt sie beim Schall?

Die Frequenz f gibt an, wie viele vollständige Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Einheit: Hertz (Hz). 1 Hz entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Die Frequenz bestimmt vor allem die Tonhöhe: hohe Frequenz = hoher Ton, niedrige Frequenz = tiefer Ton.

[P] Was ist die Amplitude einer Schwingung?

Die Amplitude ist die maximale Auslenkung einer Schwingung aus der Ruhelage. Bei Schall hängt eine größere Amplitude bzw. größere Druckschwankung mit einer höheren Schallintensität und meist größer wahrgenommenen Lautstärke zusammen. Frequenz bestimmt vor allem die Tonhöhe, Amplitude die Stärke des Schalls.

[V] Was ist die Periodendauer und wie hängt sie mit der Frequenz zusammen?

Die Periodendauer T ist die Zeit für eine vollständige Schwingung und wird in Sekunden angegeben. Es gilt f = 1/T bzw. T = 1/f. Je größer die Frequenz, desto kürzer die Periodendauer.

[P] Was ist die Wellenlänge?

Die Wellenlänge λ ist der Abstand zwischen zwei Punkten einer Welle im gleichen Schwingungszustand, z. B. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verdichtungen einer Schallwelle. Es gilt c = λ · f, wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und f die Frequenz ist.

[P] Welchen Frequenzbereich kann ein gesunder junger Mensch ungefähr hören?

Der menschliche Hörbereich liegt ungefähr zwischen 20 Hz und 20.000 Hz (20 kHz). Unter 20 Hz spricht man von Infraschall, zwischen 20 Hz und 20 kHz von Hörschall und über 20 kHz von Ultraschall. Mit zunehmendem Alter nimmt besonders die Wahrnehmung hoher Frequenzen ab.

[V] Was sind Infraschall und Ultraschall?

Infraschall hat Frequenzen unter etwa 20 Hz und Ultraschall Frequenzen über etwa 20 kHz. Beide liegen normalerweise außerhalb des menschlichen Hörbereichs. Ultraschall wird z. B. bei medizinischen Ultraschalluntersuchungen eingesetzt.

[P] Was ist der Unterschied zwischen Ton, Klang und Geräusch?

Ein Ton ist eine annähernd sinusförmige Schwingung mit einer bestimmten Frequenz. Ein Klang ist eine regelmäßige Überlagerung eines Grundtons mit harmonischen Obertönen. Ein Geräusch besteht aus einer unregelmäßigen, nichtperiodischen Überlagerung vieler Frequenzen.

[V] Was passiert bei der Reflexion von Schall?

Trifft eine Schallwelle auf eine Grenzfläche, kann ein Teil der Schallenergie zurückgeworfen bzw. reflektiert werden. Bei ausreichender Zeitverzögerung kann die Reflexion als Echo wahrgenommen werden. Schallreflexion wird z. B. bei Sonar und Ultraschalluntersuchungen genutzt.

[V] Was ist der Doppler-Effekt?

Der Doppler-Effekt ist die Änderung der wahrgenommenen Frequenz durch eine Relativbewegung zwischen Schallquelle und Beobachter. Nähert sich die Quelle, werden die Wellen zusammengedrängt und die wahrgenommene Frequenz wird höher. Entfernt sie sich, wird die wahrgenommene Frequenz niedriger. Beispiel: eine vorbeifahrende Sirene.