Eine Ein­füh­rung in die Schall­mes­sung

Schall stellt eine mecha­ni­sche Schwin­gung dar. Sie wird im All­ge­mei­nen als zeit­lich ver­än­der­ba­rer, wie­der­keh­ren­der Bewe­gungs­vor­gang ver­stan­den. Als Bei­spiel hier­für kann der Feder­pen­del betrach­tet wer­den. Der in Ruhe ste­hende Feder­pen­del (= Masse) wird durch äußere Kraft- bzw. Ener­gie­ein­wir­kung zum Schwin­gen gebracht. Dabei wird die Masse aus ihrer Ruhe­lage aus­ge­lenkt und pen­delt hin und her. Hier­bei wird stän­dig poten­ti­elle Ener­gie (Masse pen­delt aus der Ruhe­lage her­aus) in kine­ti­sche Ener­gie (Masse kehrt in die Ruhe­lage zurück) umge­wan­delt. Wir­ken auf das Sys­tem keine Ein­flüsse wie Rei­bung, schwingt das Sys­tem unun­ter­bro­chen wei­ter (= unge­dämpf­tes Sys­tem). Gewöhn­lich wirkt jedoch Rei­bung auf das Sys­tem ein und führt dazu, dass die mecha­ni­sche Ener­gie in Wär­me­en­er­gie umge­wan­delt wird und die Pen­del­be­we­gung all­mäh­lich nach­lässt bis das Pen­del end­gül­tig stoppt (= gedämpf­tes Sys­tem). Es wer­den unter­schied­li­che Arten von Schwin­gun­gen unter­schie­den, wor­auf hier jedoch nicht näher ein­ge­gan­gen wir.

Wich­tige Bestim­mungs­grö­ßen für Schwin­gun­gen sind: Elon­ga­tion, Ampli­tude,  Schwin­gungs­dauer,  Kreis­fre­quenz und Pha­sen­win­kel.

Eine Welle wird in der Phy­sik als die Aus­brei­tung eines belie­bi­gen phy­si­ka­li­schen Zustan­des bezeich­net. Im Gegen­satz zur Schwin­gung, die die Bewe­gung eines ein­zel­nen Teil­chens beschreibt, stellt die Welle die Aus­brei­tung der Bewe­gung im Raum dar. Für die Schall­aus­brei­tung ist die mecha­ni­sche Welle von Bedeu­tung. Diese Art der Über­tra­gung ist an Mate­rie gebun­den, da ohne Teil­chen keine Ener­gie über­ge­ben wer­den kann. Die Aus­brei­tung einer Welle kann man sich modell­haft wie ein Git­ter vor­stel­len, in dem die ein­zel­nen Teil­chen mit­ein­an­der elas­tisch (gekop­pelt) ver­bun­den sind. Bei einer Ener­gie­zu­fuhr erfolgt eine Stö­rung, ein Teil­chen beginnt zu schwin­gen und gibt infolge sei­ner Ver­bin­dung mit dem Nach­bar­teil­chen mecha­ni­sche Ener­gie an sei­nen Nach­barn ab. Je nach Medium kann sich die Welle ein­di­men­sio­nal (Aus­brei­tung in einer Rich­tung, z. B. Aus­brei­tungs­me­dium Seil), zwei­di­men­sio­nal (Aus­brei­tung in alle Rich­tun­gen auf einer Ober­flä­che, z. B. Aus­brei­tungs­me­dium Was­ser­ober­flä­che), drei­di­men­sio­nal (Aus­brei­tung in alle Rich­tun­gen im Raum, z. B. Aus­brei­tungs­me­dium Luft) aus­brei­ten.

Es wird unter­schie­den zwi­schen Lon­gi­tu­di­nal- und Trans­ver­sal­wel­len. Bei der Lon­gi­tu­di­nal­welle, auch Längs­welle, Dich­te­welle oder Kom­pres­si­ons­welle genannt, schwin­gen die Teil­chen des Medi­ums in Aus­brei­tungs­rich­tung. Die Über­tra­gung der Ener­gie von Teil­chen zu Teil­chen erfolgt durch das Ansto­ßen eines Nach­bar­teil­chens. Die Teil­chen unter­ein­an­der wer­den bei der Aus­brei­tung gegen­ein­an­der gestaucht oder gedehnt und damit ändert sich die Dichte des Medi­ums. In Fest­kör­pern ist die Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit einer Lon­gi­tu­di­nal­welle höher gegen­über der Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit von Trans­ver­sal­wel­len. Diese wird als Lon­gi­tu­di­nal­ge­schwin­dig­keit c_L bezeich­net.

Bei der Trans­ver­sal­welle erfolgt die Schwin­gung der Teil­chen senk­recht zur Aus­brei­tungs­rich­tung. Die Ener­gie­über­tra­gung erfolgt durch die elas­ti­schen Ver­bin­dun­gen der ein­zel­nen Teil­chen mit­ein­an­der, diese sto­ßen sich, im Gegen­satz zu einer Lon­gi­tu­di­nal­welle, nicht gegen­sei­tig an. Die Teil­chen wer­den durch die Welle geschert. Somit ist bei die­ser Wel­len­art die Über­tra­gung der Ener­gie an eine feste Git­ter­struk­tur bzw. elas­ti­sche Ver­bin­dung unter den Teil­chen gebun­den. Neben der Trans­ver­sal­welle gibt es unter ande­rem die Bie­ge­welle, Dehn­welle und Tor­si­ons­welle.   

In Gasen und Flüs­sig­kei­ten tre­ten nur Lon­gi­tu­di­nal­wel­len auf, da hier im Gegen­satz zu fes­ten Kör­pern, keine Schub­span­nung über­tra­gen wer­den kann. In Fest­kör­pern kann eine Längs­ver­for­mung wie auch eine Schub‑, Biege- und Tor­si­ons­ver­for­mung statt­fin­den, sodass sowohl Lon­gi­tu­di­nal­wel­len als auch Trans­ver­sal­wel­len auf­tre­ten kön­nen. Im wel­chem Ver­hält­nis die Wel­len­ar­ten in Fest­kör­pern auf­tre­ten, hängt von der Ent­ste­hungs­art der Welle ab.

In plat­ten­för­mi­gen Bau­tei­len sind vor allem Bie­ge­wel­len von gro­ßer Bedeu­tung, da die Schall­ab­strah­lung von der Struk­tur in die Umge­bung eine Bewe­gung senk­recht zur Ober­flä­che erfor­dert. So eine trans­ver­sale Bewe­gung ist bei einer Dehn­welle, aber vor allem bei einer Bie­ge­welle, vor­han­den.