Was ist Schall?

Lärm, Geräusche und Klänge sind nichts als Schall, der unser Ohr erreicht. Schall sind mechanische Schwingungen eines elastischen Stoffes, die sich wellenförmig ausbreiten. Damit Schall entstehen und sich ausbreiten kann, bedarf es einer Schallquelle und eines Stoffes. Schallquelle kann alles sein, was Schwingungen erzeugen kann wie unsere Stimmbänder, Gitarrensaiten, Rollen von Reifen auf Asphalt und vieles mehr.

Breitet sich der Schall in der Luft aus, was meistens der Fall ist, sprechen wir von "Luftschall". Im Alltag wird der Luftschall oft verkürzt als Schall bezeichnet. Viele wissen aus eigener Erfahrung, dass Schall sich jedoch auch in anderen Stoffen wie Beton oder Wasser ausbreiten kann.

Schall und somit auch Lärm ist messbar!

Schall kann durch verschiedene Eigenschaften näher beschrieben werden. Besonders wichtig sind der Schallpegel als Maß für Lautstärke, die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (Frequenz), und die Schallgeschwindigkeit. Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz). Eine Gitarrensaite, die 440 Mal pro Sekunde schwingt, hat demnach eine Frequenz von 440 Hz. Unser Gehör kann Schwingungen mit Frequenzen von ca. 20 Hz bis 20.000 Hz wahrnehmen.

Die Frequenz bestimmt die Tonhöhe. Je schneller etwas schwingt, umso höher ist der Ton und umgekehrt, je langsamer etwas schwingt, umso tiefer ist der Ton. Reale Töne sind allerdings nur in Ausnahmefällen so rein, dass sie aus Schall einer einzigen Frequenz bestehen. Alle natürlichen Klänge und Geräusche sind Überlagerungen von Schallwellen mit einer Vielzahl von Frequenzen.

Als Schallgeschwindigkeit bezeichnet man die Geschwindigkeit mit der sich die Schallwellen ausbreiten. Der zeitliche Abstand zwischen Blitz und Donner etwa kommt dadurch zustande, dass die Schallgeschwindigkeit viel kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit. Lichtwellen breiten sich mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde so schnell aus, dass wir Blitze  wahrnehmen, wenn sie vom Himmel zucken. Die durch die schlagartige Erhitzung der Luft ausgelöste Schallwelle breitet sich hingegen mit zirka 340 Metern pro Sekunde aus. Das ist die Schallgeschwindigkeit in Luft. 340 Meter pro Sekunde sind in etwa ein Kilometer in drei Sekunden. Hören wir den Donner z. B. 3 Sekunden nach dem Blitz, ist das Gewitter etwas mehr als 1 km entfernt (3 x 340 m = 1020 m) und bei 9 Sekunden etwa 3 km.

Die wahrgenommene Lautstärke lässt sich nicht mit einer einfachen Größe exakt beschreiben. Die Lautstärke bestimmt sich einerseits durch die Größe der Auslenkung der schwingenden Luftteilchen, andererseits durch die besonderen Eigenschaften unseres Gehörs. Die Schallschwingungen der Luftteilchen bedingen kleine Luftdruckänderungen. Je stärker die Schwingung, umso größer sind die Luftdruckschwankungen und umso lauter nehmen wir das Geräusch wahr. Im Vergleich zum atmosphärischen Luftdruck sind allerdings selbst bei sehr hohen Lautstärken die Schalldruckschwankungen noch sehr klein.

Unser Gehör ist in der Lage von Schallwellen verursachte Druckschwankungen wahrzunehmen, die sich über einen sehr großen Bereich erstrecken. So ist die Druckschwankung an der oberen Grenze unseres normalen Hörbereichs, der sogenannten Schmerzgrenze, im Vergleich zur kleinsten wahrnehmbaren Druckschwankung, der Hörschwelle, eine Millionen mal größer. Unser Ohr ist also in der Lage Schalldrücke zu verarbeiten, die sich über sechs Zehnerpotenzen erstrecken. Eine erstaunliche Leistung!

Um die näherungsweise logarithmische Empfindlichkeit unseres Ohres zu berücksichtigen und handhabbare Zahlenwerte zu erhalten, wurde der logarithmische Schalldruckpegel L in Dezibel (dB) eingeführt. Der Hörbereich des Menschen lässt sich damit in dem überschaubaren Bereich von 0 bis 120 dB angeben. Die Pegelwerte sind deutlich anschaulicher als die eher unhandlichen Schalldruckwerte.

Die Wahrnehmung von Lautstärke hängt allerdings nicht nur vom Schalldruck ab. Auch die im Geräusch enthaltenen Frequenzen spielen eine wichtige Rolle, da das Gehör bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich empfindlich ist. Um dies zu berücksichtigen, wurde eine dem menschlichen Gehör entsprechende Korrektur eingeführt. Diese nennt sich A-Bewertung. Die Anwendung der A-Bewertung führt insbesondere dazu, dass eine Abschwächung der Pegelwerte im Bereich tiefer und sehr hoher Frequenzen stattfindet. Dies entspricht der frequenzabhängigen Hörwahrnehmung des Menschen. Die A bewerteten Pegel werden in dB(A) angegeben. Sie erlauben eine gute Beurteilung der menschlichen Lautstärkeempfindung.

So funktioniert unser Gehör

Zum Gehör zählen die Ohren als Sinnesorgane und die Strukturen von Nerven und Gehirn, die für die Weiterleitung und Auswertung der akustischen Signale zuständig sind.

Das Hören nimmt in vielerlei Hinsicht eine besondere Stellung unter den Sinnen ein. Die Augen können wir schließen, wenn wir etwas nicht sehen möchten. Die Ohren sind jedoch immer auf Empfang, sogar im Schlaf. Die drei Gehörknöchelchen im Mittelohr sind die kleinsten Knochen des menschlichen Körpers. Bei der Geburt sind diese Knochen bereits vollständig ausgewachsen und funktionsfähig.

Das Ohr besteht aus drei Teilen, dem Außen-, dem Mittel- und dem Innenohr. Sie nehmen unterschiedliche und wichtige Funktionen für unser Gehör wahr. Das Außenohr besteht aus der Ohrmuschel und dem Gehörgang. Das Trommelfell trennt das Außenohr vom Mittelohr ab. Die Ohrmuschel sammelt den Schall aus der Umwelt und leitet ihn weiter auf den Gehörgang (Trichterprinzip). Der Gehörgang ist ca. 3,5 cm lang und leicht gekrümmt. Die Krümmung schützt Trommelfell und Mittelohr bis zu einem gewissen Grade vor Verletzungen durch starre Fremdkörper von außen. Der Gehörgang leitet den von der Ohrmuschel empfangenen Schall zum Trommelfell. Das Ohrenschmalz gewährleistet den Säureschutzmantel der Gehörgangshaut. Es ist Bakterien abweisend und nimmt Hautschüppchen, abgestoßene Härchen und Verunreinigungen aus dem Gehörgang auf. Diese werden durch unsere Kaubewegungen als Ohrenschmalz ständig nach außen transportiert.  Somit ist ein perfekter Selbstreinigungsmechanismus gewährleistet und eine Reinigung mit Ohrenstäbchen erübrigt sich.

Die kleinsten Knochen im menschlichen Körper: Hammer, Amboss und Steigbügel

Das Trommelfell ist ein elastisches, perlmuttgrau glänzendes und straff gespanntes mit zartesten Äderchen durchzogenes Häutchen. Es trennt das Außenohr vom Mittelohr wasser- und luftdicht ab. Durch die einfallenden Schallwellen wird es in Schwingungen versetzt. Diese gibt es an die drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel, im Mittelohr weiter. Der Griff des Hammers ist fest mit dem Trommelfell verbunden. So werden die Schallschwingungen der Luft über das Trommelfell in mechanische Schwingungen des Hammers umgewandelt. Sie werden weiter über die beiden anderen Gehörknöchelchen zum ovalen Fenster, dem Eingang zum Innenohr, geleitet. Hammer, Amboss und Steigbügel übertragen die Schwingungen des Trommelfells auf das ovale Fenster. Sie erfüllen jedoch noch eine weitere wichtige Aufgabe. Da sie als Hebelsystem wirken, wird der Druck auf das ovale Fenster verstärkt. Eine weitere Druckverstärkung ergibt sich daraus, dass das ovale Fenster deutlich kleiner ist als das Trommelfell. Zusammen führen diese beiden Effekte dazu, dass der Druck am ovalen Fenster ca. 22-mal größer ist als am Trommelfell. Wäre dies nicht der Fall, könnten wir deutlich schlechter hören!

Das Mittelohr (Paukenhöhle), ist über die Ohrtrompete (eustachische Röhre), mit dem Nasen-Rachenraum und damit mit der Außenluft verbunden. Dieser Verbindungskanal, der sich beim Gähnen oder Schlucken öffnet, ist für den Druckausgleich wichtig, denn das Trommelfell ist luftundurchlässig.

Zwei wichtige Organe mit unterschiedlichen Funktionen befinden sich im Innenohr: das Gleichgewichtsorgan, die Bogengänge, und das zentrale Hörorgan, das wegen seiner Form auch Schnecke genannt wird. Die Gehörschnecke ist ein spiralförmig gewundener Gang mit 2,5 Windungen, sie ist mit Lymphflüssigkeit gefüllt. In der Schnecke befinden sich ca. 18.000 Sinneszellen, auf denen feine Härchen, die sogenannten Zilien, sitzen. Wenn der Steigbügel auf das ovale Fenster drückt, entstehen Flüssigkeitswellen in der Lymphflüssigkeit der Schnecke. Die Zilien schwingen mit jeder einfallenden Welle mit. Durch die Bewegung entstehen elektrische Impulse, die über den Hörnerv zum Gehirn geleitet und dort analysiert werden.