Schallerzeugung und Ausbreitung

Ein Schall bzw. eine Schallwelle wird erzeugt, indem man Materie zu einer freien oder erzwungenen Schwingung anregt. Die meisten Schallsender nutzen die Transformation von mechanischer oder elektrischer Energie zur Schallerzeugung.

Mechanische Schallerzeuger

• Gitarre, Schlagzeug, Flöte, Trompete
• Klavier
• Glocke
• Hammerschlag
• Die menschliche Stimme

Elektrische Schallerzeuger

• Lautsprecher
• Telefon

Die menschliche Stimme

Die Schallerzeugung bei der menschlichen Sprache erfolgt über die Stimmbänder im Kehlkopf und liegt in dem Frequenzbereich von 300 Hz bis etwa 3'500 Hz. Bei Gesangstimmen, wie z.B. einem Bass kann eine Frequenz von ca. 90 Hz erreicht werden. Die Sopranstimme hat etwa eine Frequenz von 1500 Hz. Die Stimme ist bei jedem Menschen anders. Grund hierfür sind auch die Grösse der Mund- und Nasenhöhle sowie die Zungengrösse und -stellung. Charakteristisch für den Stimmklang ist die Aussprache der fünf Vokale (a,e,i,o,u).

Bei der Sprachübertragung wird in der Praxis nur der Hauptfrequenzbereich von 300 Hz bis 3'5 kHz berücksichtigt. Eine qualitative Übertragung dieses Frequenzbereiches ermöglicht eine hohe Sprachverständlichkeit und stellt keine hohe Anforderung an technische Mittel.

Schallausbreitung

Die Schallausbreitung wird von allen Schallkenngrössen beeinflusst. Zusätzlich spielen auch äussere Faktoren, wie z.B. der Luftdruck und die Temperatur eine Rolle. Die Schallwelle breitet sich in der Luft mit der Schallgeschwindigkeit von 343 m/s (@ 20 °C) aus, was umgerechnet etwa einer Geschwindigkeit von 1'235 km/h entspricht.

Setzt man eine punktförmige Schallquelle voraus, so erfolgt die Ausbreitung gleichmässig nach allen Seiten des Raumes. Das bedeutet, dass alle Teilchen, die die gleiche Entfernung von der Schallquelle haben, deren Mittelpunkt die Schallquelle ist. Schallwellen, die sich nach allen Seiten gleichmässig ausbreiten, bezeichnet man daher als Kugelwellen.

Eine solche Kugelwelle ist eine idealisierte Darstellung. Durch das "Wachsen" der Kugeloberfläche mit zunehmender Entfernung zur Schallquelle wird die Kugeloberfläche immer grösser und somit die Energiedichte und der Schalldruck immer kleiner. Vereinfacht dargestellt würde die bei doppelter Entfernung 4-fach grössere Kugeloberfläche, den Schalldruckpegel auf die Hälfte des Ursprungswertes reduzieren (- 6dB). Das bedeutet in der Praxis, dass der Schalldruckpegel der z.B. mit einem Lautsprecher erreicht wird, mit der Verdopplung des Abstandes zur Schallquelle halbiert wird.

Bei einem Lautsprecher mit einem Schalldruckpegel von 90 dB (1 m) steht in Ohrhöhe des Zuhörers nur noch ein Schalldruckpegel von etwa 80 dB zur Verfügung. An den entferntesten Punkten im Raum wird sogar nur noch ein Schalldruckpegel von weniger als 75 dB erreicht. Diese Berechnung kann in der Praxis durch viele Faktoren wie Reflexionen, Einrichtung des Raumes etc. beeinflusst werden.

Um die Abnahme des Schalldruckpegels zu kompensieren, kann entweder die Schallquelle näher an den Zuhörer herangebracht, oder die Anzahl der einzelnen Schallquellen erhöht werden.

Die Darstellung zeigt, dass der Schalldruckpegel auf den ersten Metern stark abfällt. Bei einer Verdopplung des Abstandes von 1m auf 2m fällt der Schalldruckpegel um 6 dB. Mit zunehmendem Abstand zur Schallquelle ist die Abnahme dann im Verhältnis wesentlich geringer. Bei einer Verdopplung des Abstandes von 8m auf 1 m wird der Schalldruckpegel gleichermassen um 6 dB reduziert.

Fenster und Türen

Selbst bei ungehinderter Schallausbreitung nimmt der Schalldruck ab, je weiter man sich von der Schallquelle befindet. In der Praxis haben Einrichtungsgegenstände sowie Fenster, Türen und Trennwände einen erheblichen Einfluss auf die Schallausbreitung. Beispielsweise können Fenster und Türen den Schalldruck in einem Raum um ca. 40 dB absenken.

Als Raumschall bezeichnet man die Schallwellen in einem geschlossenen Raum, die durch mehrere Schallreflexionen beim Empfänger wieder ankommen. Für die Orientierung durch das menschliche Gehör ist die erste wahrgenommene Schallwelle entscheidend. In der Regel ist das der Direktschall. Auch indirekte Schallwellen (Reflexionen) können die Orientierung beeinflussen, wenn die Laufzeitverzögerung zum Direktschall weniger als 50 Millisekunden (ms) beträgt.

Bei grösseren Laufzeitunterschieden ist es möglich, dass beide Wahrnehmungen als unterschiedliche Ereignisse empfunden werden. In diesem Fall spricht man von einem akustischen Echo, das die objektive Wahrnehmung der Schallwelle nachteilig beeinflusst und die Verständlichkeit des ursprünglichen Signals verschlechtert.

Die Verständlichkeit bzw. Qualität der Übertragung von Schallwellen in einem Raum wird massgeblich beeinflusst durch:

• Grösse des Raumes (Raumvolumen)
• Geometrische Form (Rundungen, Verhältnis zwischen Boden- und Wandflächen)
• Ausstattung (Teppich, Vorhänge, Bestuhlung etc.)
• Anzahl von Fensterflächen
• Eingänge, Türen (besonders, wenn geöffnet)
• Position der Schallquelle (Stand- oder Deckenlautsprecher)
• Art der Schallquelle
• Grundschallpegel (Störgeräusche)
• Nachhallzeit