Ausbreitung von Schall

Inzwischen wissen wir:

Schall entsteht durch Schwingungen . Doch wie gelangen die Schwingungen eines Korpers zu unseren Ohren?

Um dies zu untersuchen, fuhren wir folgenden Versuch durch:

Versuch

Ein Tamburin wird vor eine brennende Kerze gehalten. Dann wird das Tamburin angeschlagen.

Beobachtung:

Die Kerze flackert oder geht aus. Durch das Anschlagen des Tamburins wurde Luft vom Tamburin zur Kerze bewegt, die die Kerzenflamme bewegt hat.

Erklarung:

Durch das Anschlagen des Tamburins wird die Membran schnell eingedruckt. Die dahinter befindliche Luft wird dadurch komprimiert (verdichtet). Beim Zuruckschwingen der Membran passiert das Gegenteil ? die Luft wird verdunnt. Die Verdichtungen und Verdunnungen breiten sich innerhalb der Luft als Schallwelle in alle Richtungen aus.

Damit sich Schall ausbreiten kann, muss also ein Stoff vorhanden sein, der sich verdichten und verdunnen lasst. Ohne Stoff, also im luftleeren Raum (Vakuum), kann sich Schall nicht ausbreiten.

Schall kann auch zuruckgeworfen ( reflektiert ) werden. Wenn Schall z.B. auf eine Felswand trifft, wird er dort reflektiert und kommt als Echo zuruck ? man hort den Ton noch einmal.

Kann sich Schall auch in anderen Stoffen ausbreiten?

Stellt man eine Schallquelle, z.B. eine tickende Uhr, auf einen Tisch und druckt ein Ohr auf die Tischplatte, so stellt man fest:

Der Schall ist sogar lauter zu horen. Der Schall breitet sich also auch in der Tischplatte aus.

Sicher hast Du schon einmal im Schwimmbad festgestellt, dass Du auch unter Wasser horen kannst. Wale kommunizieren uber weite Strecken (bis zu 2000 Kilometer!) mit ihrem “Gesang”. Schall kann sich also auch in Wasser ausbreiten ? sogar besser als in Luft.

Wie schnell breitet sich Schall aus?

Wenn Du Dich mit jemandem unterhaltst, horst Du augenblicklich, was die andere Person sagt ? scheinbar ohne Zeitverzogerung. Doch wenn Schall einen weiteren Weg zurucklegen muss, dann bemerkt man, dass der Schall eine gewisse Zeit benotigt, um von der Schallquelle bis ins Ohr zu kommen. Die Schallausbreitung erfolgt also mit einr bestimmten endlichen Geschwindigkeit .

Beispiele:

• Beim Gewitter horst Du den Donner erst nach dem Blitz ? obwohl er gleichzeitig mit dem Blitz entsteht.
• Beim 100m-Lauf hort man den Startschuss am Ziel erst merklich nach dem Schuss.
• Wird Schall uber mehrere weiter entfernte Lautsprecher abgegeben, z.B. im Stadion, so hort man den Ton aus verschieden weit entfernten Lautsprechern leicht zeitversetzt.

Fallen Dir weitere Beispiele ein?

 

Bei einem Gewitter entstehen Blitz und Donner gleichzeitig. Doch meist horen wir den Donner erst deutlich spater als dass wir den Blitz sehen.

Die Schallgeschwindigkeit

Um die Schallgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der sich Schall (in Luft) ausbreitet, zu messen, konnte man z.B. bei einem 100m-Lauf die Zeit stoppen, die der Schall braucht, um von der Klappe bzw. der Pistole bis zum Ohr zu gelangen.

Du wirst jedoch feststellen, dass die Zeit so kurz ist, dass sie nur sehr ungenau bestimmt werden kann, da die Reaktion des Menschen nicht schnell genug ist.

Vielleicht hast Du schon einmal gehort, wie man die Entfernung eines Gewitters abschatzen kann.

Es gibt dafur eine einfache Faustformel .

Faustformel zur Abschatzung der Entfernung eines Gewitters:

Zahle die Zeit in Sekunden zwischen Blitz und Donner, und teile diese Zahl durch 3.

Dies ist die Entfernung in Kilometern.

Das bedeutet:

Der Schall legt in Luft in drei Sekunden etwa einen Kilometer zuruck.

In einer vollen Sekunde legt der Schall demnach etwa 1/3 Kilometer (km) zuruck ? also etwa 333 Meter (m).

Die Schallgeschwindigkeit betragt also etwa 333 Meter pro Sekunde .

Der genaue Wert hangt ein wenig von der Temperatur ab und betragt bei 20°C etwa 344 m/s.

Mit der Schallgeschwindigkeit lassen sich sowohl Entfernungen als auch Zeiten berechnen.

Dazu zwei Beispielaufgaben:

(Hinweis: Beide lassen sich aufgrund der einfachen Zahlenwerte gut mit der Faustformel losen.)

1. Wie weit ist ein Gewitter entfernt, wenn zwischen Blitz und Donner 6 Sekunden vergehen?

Losung:

Der Schall legt in drei Sekunden einen Kilometer zuruck. In 6 Sekunden legt er also eine Strecke von 2 Kilometern zuruck.

Das Gewitter ist also zwei Kilometer entfernt.

2. Wie lange dauert es, bis der Startschuss im Ziel einer 100m-Strecke zu horen ist?

Losung:

Fur die Strecke von einem Kilometer benotigt der Schall etwa 3 Sekunden. 100m ist 1/10 eines Kilometers, also benotigt der Schall fur diese Strecke 1/10 der Zeit (von 3 Sekunden).

Es dauert also etwa 1/3 Sekunde oder 0,33 Sekunden , bis der Startschuss im Ziel zu horen ist.

Wir wissen inzwischen, dass sich Schall auch in anderen Stoffen ausbreiten kann. Bestimmt man die Schallgeschwindigkeit fur verschiedene Stoffe , so stellt man fest:

In den meisten Stoffen breitet sich der Schall schneller aus als in Luft. Nur in wenigen Stoffen, wie z.B. Kautschuk , ist der Schall langsamer.

Beispiele fur Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Stoffen:

Stoff	Schallgeschwindigkeit in m/s
Kautschuk	40
Luft	344
Wasser	1480
Holz	bis 5500
Eisen	bis 5800

Wie Du siehst, breitet sich der Schall in Wasser ca. viermal so schnell aus wie in Luft. In Holz ist der Schall sogar ca. 16-mal schneller als in Luft.

Reflexion von Schall

Wenn Schall auf einen festen Gegenstand trifft, z.B. auf eine Felswand, wird der Schall reflektiert ? er kommt zuruck, und das Gerausch ist noch einmal (etwas leiser) zu horen. Der reflektierte Schall wird als Echo bezeichnet.

Verschiedene Stoffe reflektieren Schall unterschiedlich gut. Harte, feste Gegenstande, wie Felsen, Fensterscheiben, Wande, Fliesen usw. reflektieren Schall sehr gut. Weiche Gegenstande und Oberflachen, wie Teppiche, Sofas, Gardinen etc. reflektieren Schall sehr schlecht. Der Schall wird von ihnen praktisch geschluckt (absorbiert).

Da wir inzwischen die Schallgeschwindigkeit kennen, lasst sich aus der Zeit zwischen Aussenden des Schalls und dem Eintreffen des Echos die Entfernung der Felswand bestimmen:

Aufgabe:

Wie weit ist eine Felswand entfernt, wenn das Echo 6 Sekunden nach dem Aussenden des Schallsignals zu horen ist?

Losung:

Wie im oberen Beispiel betragt der zuruckgelegte Weg des Schalls in 6 Sekunden 2 Kilometer. Da der Schall bis zur Felswand die gleiche Zeit benotigt wie von der Felswand wieder zuruck, ist die Entfernung zur Felswand also genau halb so groß wie der gesamte vom Schall zuruckgelegte Weg.

Die Entfernung zur Felswand betragt also 1 Kilometer .

Echos werden auf diese Art beim Echolot genutzt, um Meerestiefen zu bestimmen: Von einem Schiff wird ein Ultraschallsignal ( Ultraschall ist Schall, den wir nicht horen konnen) in Richtung Meeresboden ausgesendet und mit einem Echoempfanger wieder empfangen. Mit einem Messgerat wird die genaue Zeit zwischen Aussenden und Empfangen des Schallsignals gemessen und daraus die Meerestiefe berechnet.

Viele Tiere orientieren sich durch Echo-Ortung

Verschiedene Tiere orientieren sich dadurch, dass sie Schallsignale aussenden, die von Hindernissen reflektiert und wieder empfangen werden.

So senden z.B. Delfine Klick- und Pfeiftone, aber auch fur uns nicht horbaren Ultraschall aus.

Auch Fledermause orientieren sich im Dunkeln mit Hilfe von Ultraschallsignalen.