Was ist Schall? Grundlagen einfach erklärt

Wenn wir eine flotte Melodie auflegen, kommen wir schnell ins Genießen. Das hat alles mit der Funktionsweise des menschlichen Ohrs zu tun, das die sogenannte mechanische Energie der Schallereignisse in elektrochemische Signale umwandelt. Über das Gehör wandelt die Großhirnrinde den empfangenen Schall in etwas um, das wir wahrnehmen können. Doch das ist noch nicht die ganze Erklärung. Um Musik wirklich zu verstehen, müssen wir wissen, was Schall ist – und zwar noch bevor er von unserem Körper verarbeitet wird.

Definition von Schall

Der Duden beschreibt Schall als Schwingungen in der Luft, die vom Hörorgan wahrgenommen werden. Verschiedene andere Wörterbücher bestätigen diese Definition und stellen damit eine Verbindung zwischen Schwingungen beziehungsweise einer Änderung des Luftdrucks und deren Wahrnehmung her. Demnach ist das, was wir nicht hören können, eben kein Schall. Logischerweise wird etwa ein Delfin Schall anders erleben als ein Mensch: Was für einen Delfin Schall ist, muss es für den Menschen nicht sein. So lässt sich Schall jedenfalls in seiner engsten Form beschreiben.

Aus wissenschaftlicher Sicht lässt sich Schall jedoch viel weiter fassen. Hier verlassen wir die egozentrische Perspektive des menschlichen Hörorgans und sprechen im weiteren Sinne von den Schallereignissen beziehungsweise den Schwingungen, die sich durch die Luft bewegen und von einem Hörorgan aufgenommen werden können. In einer noch umfassenderen Sichtweise lassen wir uns schließlich nicht auf die Änderungen des Luftdrucks beschränken, sondern es kann sich ebenso um ein anderes Medium handeln. Außerdem kann man den Begriff Schall auch dann verwenden, wenn es nicht länger um eine hörbare Veränderung geht. So spricht man etwa von „Ultraschall“.

Wie entstehen diese Schallereignisse?

Schallwellen entstehen durch Luftschwingungen. Das liegt daran, dass diese feinen Vibrationen die Luftteilchen lokal zusammenpressen. Dadurch wird der Luftdruck dort höher, woraufhin die zusammengepressten Teilchen mit den Teilchen in der Umgebung in Kontakt kommen. So entsteht eine Kettenreaktion, bei der die Energie fortlaufend weitergegeben wird: Der Schall bewegt sich fort, bis er schließlich wieder zur Ruhe kommt. Das ist übrigens zugleich der Grund, warum Schall ein irdisches Phänomen ist. Wenn zwei Satelliten im Weltraum zusammenstoßen und in Tausende Stücke zerbersten, wird kein einziger Laut wahrnehmbar sein. Hier gibt es nämlich keine Luft oder ein anderes Medium, das die Wellen weiterleiten könnte – geschweige denn, dass überhaupt Schallwellen entstehen …

Das erklärt ebenso die Funktionsweise eines Lautsprechers, der eigentlich einfach ein Bauteil ist, das – wenn auch auf clevere Weise – in Schwingung versetzt wird. Diese Bewegungen sorgen dafür, dass auch die Luft rund um den Lautsprecher in Bewegung gerät. Am besten lässt es sich vielleicht mit einem Steinchen im Wasser vergleichen: Es entstehen kleine Wellen, die sich von der Quelle entfernen. Durch das Größerwerden dieser Kreise müssen immer mehr Luftteilchen die Energie des vorhergehenden Kreises teilen, wodurch der Schall schließlich einen stillen Tod stirbt. Das geschieht zwar mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 m/s, doch es ist nicht unlogisch, dass der Schall schwächer wird, je weiter man sich von der Schallquelle entfernt. Wenn man weit genug von der Schallquelle entfernt steht, ist der Schall schließlich nicht mehr hörbar. Nicht mehr hörbar für den Menschen, denn manche Tiere hören nun einmal viel besser als wir.

Wie sieht eine Schallwelle aus?

Schall sehen – das können wir nicht. Zumindest nicht ohne technische Hilfsmittel. Doch wie das Wort eigentlich schon andeutet, besteht eine Schallwelle aus einer Welle. Eine solche Welle hat ihrerseits eine Wellenlänge und eine Amplitude. Wie oft eine solche Welle durchlaufen wird, nennt man wiederum die Frequenz. Diese Frequenz ist nicht unwichtig: Das menschliche Gehör kann beispielsweise eine Mindestfrequenz von zwanzig und eine Höchstfrequenz von 20.000 Hertz hören. Die Wellenlänge verhält sich dazu übrigens umgekehrt proportional: Bei einem Frequenzanstieg wird die Wellenlänge kürzer (höherer Ton) und umgekehrt.

Die Amplitude ist ihrerseits wiederum die Folge des Unterschieds zwischen dem Durchschnittswert des Drucks und dem Höchstwert des Drucks. Die daraus resultierende Stärke definieren wir mit dem bekannteren Begriff Dezibel. Auch dieser Begriff ist nicht unwichtig: Ab 120 Dezibel tritt bei kurzzeitiger Belastung ein Gehörschaden auf. Die Schmerzgrenze liegt jedoch bei 134 Dezibel – was erklärt, warum ein Gehörschaden auch unbemerkt auftreten kann.

Schließlich haben wir bereits erwähnt, dass sich Schallereignisse genau wie Wasserwellen verhalten. So können sie sich um ein Objekt herumbeugen, abprallen, die Richtung ändern oder mit anderen Schallwellen in Kontakt kommen, woraufhin sie sich gegenseitig verstärken oder auslöschen. Letzteres ist auch das Prinzip, nach dem spezialisierte Kopfhörer funktionieren: Sie geben einen Schall ab, um andere Schallereignisse aufzuheben.

Die Schallgeschwindigkeit ist keine Konstante

Zuvor haben wir erwähnt, dass die Schallgeschwindigkeit etwa 300 m/s beträgt. Tatsächlich stimmt das nicht ganz. Es stimmt mehr oder weniger für die Ausbreitung in der Luft, aber Schall kann sich auch durch feste Stoffe und Flüssigkeiten ausbreiten. So beträgt die Schallgeschwindigkeit in Aluminium beispielsweise 6.260 m/s bei 293 Grad Kelvin (etwa Zimmertemperatur) und 1.120 m/s in Methanol bei einer vergleichbaren Temperatur. In Kohlenstoffdioxid ist Schall dagegen deutlich langsamer, mit einer Geschwindigkeit von 259 m/s bei 273 Grad Kelvin (etwa Gefrierpunkt).

Auch in der Luft trifft die Aussage, die Schallgeschwindigkeit betrage rund 300 m/s, nicht ganz zu. Hier verwendet man nämlich eine komplizierte Formel, um die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen.

Formel für die Schallgeschwindigkeit:**√[γ(RT/M)]

Eine ausführliche Erörterung lassen wir beiseite, doch merken Sie sich vor allem, dass die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit hier eine wichtige Rolle spielen. Bei einer Temperatur von 233 Grad Kelvin (etwa –40 °C) beträgt der Schall tatsächlich rund 307 m/s, doch bei wärmeren 313 Grad Kelvin (etwa +40 °C) steigt er bereits auf deutlich höhere 354 m/s an. In der Luft bewegt sich Schall also schneller fort, wenn die Temperatur wärmer ist. In der Praxis bewegt sich Schall jedoch so schnell fort, dass das nach einem Lawinenunglück sicher nicht Ihre größte Sorge sein muss.

Wenn wir schließlich über die Schallgeschwindigkeit im Wasser sprechen, wird die Formel noch ein gutes Stück komplizierter. Hier müssen wir nämlich nicht nur die Temperatur berücksichtigen, sondern auch den Salzgehalt und die Wassertiefe.

Schall für Mensch und Tier

Für das menschliche Gehör sind Schallschwingungen in einem Bereich von etwa 20 bis 20.000 Hertz (20 kHz) wahrnehmbar. Allerdings unterscheidet sich das von Person zu Person. Vor allem ältere Menschen nehmen Schallschwingungen bei hohen Frequenzen schwerer wahr.

Neugierig, bis zu welcher Frequenz Sie wahrnehmen können? Spielen Sie das untenstehende Video ab und finden Sie es heraus.

Die Bedeutung der Frequenz für Mensch und Tier

Die untere Hörgrenze von 20 Hz kennen wir vor allem als die Grenze zum Infraschall. Solchen Infraschall können wir nicht hören, doch manchmal können wir die Schwingungen durchaus spüren. Der Infraschall wird allerdings von einer Reihe von Tieren genutzt. Er hilft ihnen nämlich dabei, über große Entfernungen zu kommunizieren. Unter anderem Elefanten, Nashörner und Giraffen nutzen aus diesem Grund Infraschall. Dennoch kann er auch einem anderen Zweck dienen. Manche Walarten nutzen Infraschall nämlich, um ihre Beute – vor allem Tintenfische – zu lähmen.

Bei einer Überschreitung der oberen Hörgrenze (20 kHz) sprechen wir von Ultraschall. Manche Tierarten nutzen Ultraschall, um sich zu orientieren (z. B. Fledermäuse) oder um Beute aufzuspüren (z. B. Delfine). Doch auch der Mensch hat sich einige Anwendungen ausgedacht. Eine wichtige Ultraschallanwendung ist die Sonografie (mittels Ultraschall werden Unterschiede zwischen weichem und hartem Gewebe sichtbar gemacht). Ein weiteres Beispiel finden wir in der Zahnheilkunde (Reinigung zahntechnischer Instrumente und Entfernung von Zahnstein). Für eine andere Ultraschallanwendung müssen wir jedoch in die Vergangenheit zurückblicken: In den 1970er Jahren nutzten wir ihn beispielsweise zur Bedienung von Fernsehgeräten.

Schließlich gibt es noch eine letzte Kategorie von Schall: den Hyperschall. Dabei handelt es sich um Schall mit Frequenzen ab 800 MHz. Eigentlich ist der Begriff erst entstanden, weil der Mensch lange Zeit nicht in der Lage war, derartige Schallfrequenzen zu erzeugen. Dank des piezoelektrischen Effekts ist das heutzutage kein Hindernis mehr. Hyperschall wird unter anderem genutzt, um feste Stoffe zu untersuchen.

Die Bedeutung des Schallpegels für Mensch und Tier

Nicht nur die Schallfrequenz spielt eine Rolle, sondern auch der Schallpegel (dB). Im Prinzip kann ein Mensch einen Schallpegel zwischen 0 und 130 dB hören, doch das ist nicht immer der Fall. In diesem Fall sprechen wir von Lärmschwerhörigkeit. Bei einem Hörverlust von dreißig bis sechzig dB greift man meist zu einem Hörgerät. Zum Vergleich: Das Rascheln von Blättern hat einen Schallpegel von etwa 10 dB, während ein Fernseher in Wohnzimmerlautstärke (etwa 1 Meter Abstand) einen Schallpegel von rund 60 dB hat.

Daneben müssen wir auch den unangenehmen Charakter lauter Geräusche berücksichtigen. Ab 90 dB entsteht bei langanhaltender Belastung nämlich bereits ein Gehörschaden. Das ist ungefähr der Lärm, den Sie wahrnehmen, wenn Sie neben einer Autobahn stehen. Eine Diskothek hat wiederum Schallpegel, die bis auf 100 dB ansteigen, vergleichbar mit dem Geräusch eines Presslufthammers in einem Meter Abstand. Hier überschreiten wir das maximale Dezibel für langanhaltende Belastung: Passen Sie also unbedingt bei Festivalwochenenden auf, an denen Sie ununterbrochen hohen Schallpegeln ausgesetzt sind.

Ab einem maximalen Dezibel von 120 dB tritt wiederum ein Gehörschaden bei kurzzeitiger Belastung auf. Das ist etwa das Geräusch eines Düsentriebwerks in rund 100 Metern Abstand. Die Schmerzgrenze liegt schließlich bei 134 dB, niedriger als das Geräusch, das wir bei einem Gewehrschuss in einem Meter Abstand wahrnehmen. In solchen Fällen tritt ohne Schutzmittel so gut wie immer ein Gehörschaden auf.

Verschiedene Anwendungen von Schall

Schall wird vom Menschen nicht nur genutzt, um Musik zu erleben. Auch für die gegenseitige Kommunikation ist er beispielsweise sehr wichtig. Dennoch ist die Zahl der (potenziellen) Anwendungen weitaus umfangreicher als das. Unter anderem die zuvor erwähnte Sonografie zeigt das. Wenn wir die Schallgeschwindigkeit oder andere Merkmale kennen, können wir nämlich vieles bestimmen. Zuvor haben wir beispielsweise erwähnt, dass wir die Schallgeschwindigkeit im Wasser berechnen können. Indem wir unter Wasser einen Schallimpuls aussenden und die Zeit messen, bis der Impuls reflektiert wird, können wir nämlich die Entfernung zu einem Objekt oder zum Meeresboden berechnen. Schall ist mit anderen Worten mehr als eine musikalische Gabe, ein Kommunikationsmittel oder ein Warnsignal: Er bildet einen integralen Bestandteil unseres heutigen technischen Wissens.

Der hörbare Charakter von Schall

All dies bringt uns schließlich wieder zurück zu jenen zwei magischen Grenzen: 20 Hz und 20 kHz. Der Schall zwischen diesen beiden Grenzen ist nämlich für uns die „greifbarste“ Form von Schall. Es ist das Hupen des Autos, aber es ist auch die Neunte Sinfonie in d-Moll. Es ist Schall in seiner engsten Form: Schall, der für den Menschen einfach wahrnehmbar ist. Es bleibt schließlich die Frage, wie wir diesen Schall nun wahrnehmen können.

Es ist eigentlich die Ohrmuschel, die die Schallschwingungen auffängt und über den Gehörgang zum Trommelfell leitet. Im Trommelfell wird der Schall auf die Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss und Steigbügel) übertragen, die als Verstärker fungieren. Anschließend bewegt sich die Flüssigkeit in der Schnecke, wodurch auch die Haarzellen diesem Beispiel folgen. Diese Bewegungen reizen schließlich die Nervenenden, die mit dem Hirnstamm in Verbindung stehen. Das Gehirn „übersetzt“ daraufhin die eingehenden Reize und sendet sie an den Thalamus. Dieser Teil des Gehirns verarbeitet ebenso die Informationen dessen, was wir sehen oder fühlen, und interpretiert die „übersetzten Informationen“. Diese Interpretation wird schließlich an die Großhirnrinde weitergegeben.

In der Großhirnrinde kommt der hörbare Schall am Ende seiner Reise an. Hier erhält er eine Bedeutung. Sie verknüpft ihn mit unseren Erinnerungen. Sie hilft uns, Schall zu erkennen: die Stimme einer Mutter oder das Geräusch eines heranbrausenden Zuges. Diese Erinnerungen können ebenso Gefühle hervorrufen. Das Hören der Stimme eines Verstorbenen kann beispielsweise eine Ursache für Niedergeschlagenheit oder Glück sein, selbst wenn wir die Stimme nicht erkennen oder uns dessen nicht bewusst werden. So wunderbar wie der Schall ist, so wunderbar ist auch unser Gehirn. Genau deshalb lieben wir Schall so sehr und können bekannte Musiker ein üppiges Leben führen.

Schall mehr Bedeutung zu verleihen, ist ein Teil dessen, was Menschen zu Menschen macht.