Klang -
Sound

Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Eine Trommel erzeugt Schall über eine vibrierende Membran

In der Physik ist Schall eine Schwingung , die sich als akustische Welle durch ein Übertragungsmedium wie ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff ausbreitet .

In der menschlichen Physiologie und Psychologie ist Schall der Empfang solcher Wellen und deren Wahrnehmung durch das Gehirn . Nur akustische Wellen, deren Frequenzen zwischen etwa 20 Hz und 20 kHz, dem Audiofrequenzbereich, liegen, lösen beim Menschen eine Hörwahrnehmung aus. In Luft bei atmosphärischem Druck repräsentieren diese Schallwellen mit Wellenlängen von 17 Metern (56 Fuß) bis 1,7 Zentimeter (0,67 Zoll). Schallwellen über 20  kHz werden als Ultraschall bezeichnet und sind für den Menschen nicht hörbar. Schallwellen unter 20 Hz werden als Infraschall bezeichnet . Verschiedene Tierarten haben unterschiedliche Hörbereiche .

Akustik

Akustik ist die interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Untersuchung mechanischer Wellen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern befasst, einschließlich Schwingungen , Schall, Ultraschall und Infraschall. Ein Wissenschaftler, der auf dem Gebiet der Akustik arbeitet, ist ein Akustiker , während jemand, der auf dem Gebiet der Akustik arbeitet , als Akustiker bezeichnet werden kann . Ein Toningenieur hingegen beschäftigt sich mit der Aufnahme, Manipulation, Mischung und Wiedergabe von Ton.

Anwendungen der Akustik finden sich in fast allen Aspekten der modernen Gesellschaft, Subdisziplinen umfassen Aeroakustik , Audiosignalverarbeitung , Architekturakustik , Bioakustik , Elektroakustik, Umgebungslärm , Musikakustik , Lärmschutz , Psychoakustik , Sprache , Ultraschall , Unterwasserakustik und Vibration .

Definition

Schall ist definiert als „(a) Schwingung in Druck, Spannung, Partikelverschiebung, Partikelgeschwindigkeit usw., die sich in einem Medium mit inneren Kräften (zB elastisch oder viskos) ausbreitet, oder die Überlagerung einer solchen sich ausbreitenden Schwingung. (b) auditiv Empfindung, die durch die in (a) beschriebene Schwingung hervorgerufen wird." Schall kann als Wellenbewegung in Luft oder anderen elastischen Medien betrachtet werden. In diesem Fall ist Schall ein Reiz. Schall kann auch als Erregung des Hörmechanismus angesehen werden, die zur Wahrnehmung von Schall führt. Schall ist in diesem Fall eine Sensation .

Physik

werden.

Das Verhalten der Schallausbreitung wird im Allgemeinen von drei Dingen beeinflusst:

  • Ein komplexer Zusammenhang zwischen Dichte und Druck des Mediums. Dieser temperaturabhängige Zusammenhang bestimmt die Schallgeschwindigkeit im Medium.
  • Bewegung des Mediums selbst. Wenn sich das Medium bewegt, kann diese Bewegung die absolute Geschwindigkeit der Schallwelle je nach Bewegungsrichtung erhöhen oder verringern. Beispielsweise wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall, der sich durch Wind bewegt, um die Windgeschwindigkeit erhöht, wenn Schall und Wind sich in die gleiche Richtung bewegen. Wenn sich Schall und Wind in entgegengesetzte Richtungen bewegen, wird die Geschwindigkeit der Schallwelle um die Windgeschwindigkeit verringert.
  • Die Viskosität des Mediums. Die mittlere Viskosität bestimmt die Geschwindigkeit, mit der Schall gedämpft wird. Bei vielen Medien wie Luft oder Wasser ist die viskositätsbedingte Dämpfung vernachlässigbar.

Wenn sich Schall durch ein Medium bewegt, das keine konstanten physikalischen Eigenschaften hat, kann es gebrochen (entweder gestreut oder fokussiert) werden.

Sphärische Kompression (Längs-)Wellen

Die mechanischen Schwingungen, die als Schall interpretiert werden können, können sich durch alle Formen von Materie ausbreiten : Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe und Plasmen . Die Materie, die den Klang unterstützt, wird als Medium bezeichnet . Schall kann nicht durch ein Vakuum wandern .

Wellen

im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung.

Schallwellen können mit Parabolspiegeln und Schall erzeugenden Objekten betrachtet werden.

Die Energie , die durch eine oszillierende Schallwelle umwandelt hin und her zwischen der potentiellen Energie des zusätzlichen durch Kompression (im Fall von Longitudinalwellen) oder seitlicher Verschiebung Dehnung (im Fall von Transversalwellen) der Materie, und die kinetische Energie der Verschiebungsgeschwindigkeit von Partikeln des Mediums.

Druckpulswelle in Längsrichtung
Längsebene Welle
Transversale ebene Welle in linearer Polarisation, dh nur in y-Richtung schwingend
Transversale ebene Welle
Longitudinale und transversale ebene Welle
Ein „Druck-über-Zeit“-Diagramm einer 20-ms-Aufnahme eines Klarinettentons zeigt die beiden grundlegenden Klangelemente: Druck und Zeit.
Klänge können als eine Mischung ihrer Komponenten Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen dargestellt werden. Die unteren Wellen haben höhere Frequenzen als die oberen. Die horizontale Achse repräsentiert die Zeit.

Obwohl die Übertragung von Tönen sehr komplex ist, lässt sich der Ton am Empfangspunkt (dh den Ohren) leicht in zwei einfache Elemente unterteilen: Druck und Zeit. Diese Grundelemente bilden die Grundlage aller Schallwellen. Sie können verwendet werden, um jedes Geräusch, das wir hören, absolut zu beschreiben.

Um den Klang besser zu verstehen, wird eine komplexe Welle, wie sie rechts in diesem Text blau hinterlegt ist, in der Regel in ihre Bestandteile zerlegt, die eine Kombination verschiedener Schallwellenfrequenzen (und Geräusche) sind.

, die von diesen generischen Eigenschaften gekennzeichnet sind:

.

Transversale Wellen , auch Scherwellen genannt , haben die zusätzliche Eigenschaft Polarisation und sind kein Merkmal von Schallwellen.

Geschwindigkeit

US Navy F/A-18 nähert sich der Schallgeschwindigkeit. Der weiße Halo wird von kondensierten Wassertröpfchen gebildet, von denen angenommen wird, dass sie durch einen Luftdruckabfall um das Flugzeug herum entstehen (siehe Prandtl-Glauert-Singularität ).

Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Medium ab, durch das die Wellen laufen, und ist eine grundlegende Eigenschaft des Materials. Der erste bedeutende Versuch zur Messung der Schallgeschwindigkeit wurde von Isaac Newton unternommen . Er glaubte, dass die Schallgeschwindigkeit in einer bestimmten Substanz gleich der Quadratwurzel des auf sie wirkenden Drucks geteilt durch ihre Dichte ist:

Dies erwies sich später als falsch und der französische Mathematiker Laplace korrigierte die Formel, indem er schloss, dass das Phänomen der Schallausbreitung nicht isotherm ist, wie von Newton angenommen, sondern adiabat . Er fügte der Gleichung einen weiteren Faktor hinzu – Gamma – und multiplizierte mit , wodurch die Gleichung entstand . Seit ergibt sich die endgültige Gleichung , die auch als Newton-Laplace-Gleichung bekannt ist. In dieser Gleichung ist des Mediums zu seiner Dichte.