Schall
Akustik: Die Lehre vom Schall
Was ist Schall?

Schall ist ein Wechseldruck, der über verschiedene Medien (Stoffe) übertragen werden kann. 
Generell kann man sagen, dass mit höherer Dichte oder Struktur eines Stoffes die spezifische Schallgeschwindigkeit - also die Übertragung und die Reichweite steigt und zeitgleich die Verlustleistung abnimmt.

Hier ein paar Beispiele zur spezifischen Schallgeschwindigkeit eines Mediums:

Latex (Gummi):    ca. 150m pro Sek.
Luft:                          ca. 340m pro Sek.
Wasser:                   ca. 1500m pro Sek.
Beton:                     ca. 3700m pro Sek.
Hartholz:                ca. 4500m pro Sek.
Glas:                         ca. 5300m pro Sek.
Stahl:                       ca. 5900m pro Sek.
Diamant:                ca. 18000m pro Sek.

Bei Schall handelt es sich um eine Welle. Ähnlich wie bei einer Welle am Strand hat diese Welle einen Beginn, einen Kamm (Peak) und ein Ende. Die Form kann hier aber je nach technischen Gegebenheiten von einer Sinuskurve bis hin zu einem Rechteck variieren.
Ausschlaggebend ist aber wie bei einer echten Welle die maximale Höhe der Welle, der sogenannte Peak (oder die Spitze).

Beim Strom aus der Steckdose, der typischerweise in Sinuswellen verläuft gibt es ebenso 2 Peaks jeweils bei Plus und Minus. Die Spitzenleistung liegt bei ca. 325 Volt. Insofern gibt es also einen Spannungsunterschied (Spitze positiv zu Spitze negativ) von ca. 650 Volt.
Angegeben wird aber nur der Wirkstromanteil der bei ca. 70% liegt. 

Es ergibt sich somit die folgende Rechnung:

325V * 0,7 = 227,5V was somit ca. 230 Volt entspricht.

Die Spitzenleistung entspricht beim Strom wie beim Schall der Leistung oder des Drucks. Im Fall von Schall sprechen wir somit von der Lautstärke.

Bei Schall wird das Ganze aber leider noch etwas komplexer.

Frequenz:

Sobald sich ein Schallwechseldruck wiederholt, sprechen wir von einer Frequenz, oder auch Wellenlänge.

Frequenzen werden in Hertz (Hz) gemessen.
1 Hertz entspricht einem Impuls pro Sekunde.

Ähnlich wie beim Strom, der mit ca. 50 Hz ( Also ca. 50 Wiederholungen pro Sekunde ) aus der Steckdose kommt, bildet dies eine Frequenz.
Im Falle von Schall entspricht die Frequenz einem Ton, oder einer Tonhöhe.

Menschliches Gehör:

Der Mensch kann abhängig von seinem Alter ganz unterschiedlich Frequenzen oder Lautstärken wahrnehmen. Zum einen verlieren wir mit zunehmendem Alter die Fähigkeit höhere Töne oder Frequenzen wahrzunehmen, zum anderen wird durch unsere Anatomie die Energie des Schalles unterschiedlich wahrgenommen.
Einfach dargestellt: Obwohl die selbe Energie hinter einem Ton liegt, wird er von Mensch zu Mensch unterschiedlich laut empfunden. Und das führt uns auch schon zu einem großen Problem: Der eine hört ein Pfeiffen, der andere nicht.

Ein Mensch hat ein Hörvermögen von ca. 16 bis zu 23000 Hz. Dieses Hörvermögen entspricht in etwa einem Kleinkind. 
Jugendliche liegen mit der Wahrnehmung noch bei bis ca. 20000 Hz. 
Mit Mitte 40 sind wir dann noch bei bis zu ca. 16000 - 17000 Hz und so geht es langsam bergab. 
Hinzu kommt, dass wir nicht jede Frequenz gleich gut, oder in der selben Lautstärke wahrnehmen.

Um genau diesem Umstand zu entsprechen, gibt es in der Schallmessung die sogenannte A-Bewertung (dB(A)). Diese kommt dem natürlichen Hörvermögen eines Menschen am nächsten und ist daher ein zentrales Kriterium für die Messung und Bewertung von Schall oder Lärm.
Hinzu kommt, dass wir mit gesteigertem Alter auch noch gut hörbare Frequenzen als immer leiser empfinden. Ein Geschäftszweig, dem sich Akustiker und Hörgerätehersteller gerne annehmen :)

Insgesamt ist alles, was wir hören, ein Gemisch aus unterschiedlichen Frequenzen und verschiedenen Lautstärken. Es ist die Aufgabe unseres Gehirns, Nutzinformationen aus diesem Gewirr heraus zu filtern - und das stoppt nicht einmal im Schlaf.

Schalldruckpegel

Die Bezeichnung eines Schallpegels (Bel) wurde nach dem gebürtigen britischen, später US-amerikanischen Erfinder Alexander Graham Bell benannt. (bekannt unter anderem durch das Telefon).

Die Maßeinheit lässt sich genau wie das Längenmaß Meter (m) in Potenzen unterteilen.

Beispiel:
1 Meter = 10 Dezimeter (dm) = 100 Zentimeter (cm) = 1000 Millimeter (mm)

in der Bel Skala ist dies exakt gleich:

1 Bel = 10 Dezibel (dB) = 100 Zentibel = 1000 Millibel

In der Praxis werden aber Bel, und Millibel nicht in Messungen oder Protokollen sowie im allgemeinen Umgang gebraucht. Etabliert hat sich hier nur die Größe eines 1/10 Bel - also die Dezibel (dB)

Die Wahrnehmung von Schall ist direkt mit einem relativen Wert verknüpft.

Nehmen wir an, das menschliche Gehör kann einen fiktiven Wert von 1 gerade noch wahrnehmen, dann liegt die allgemein anerkannte Schmerzgrenze, die schon beträchtliche Auswirkungen wie Gehörschäden (nicht reparabler Schaden des Gehörs) oder einen Gehörsturz verursachen kann, bei 10.000.000 - also 10 Millionen.
Dieser Wert bindet sich an Drücke - in unserem Fall an den Luftdruck, der in der Pascal gemessen wird.
Der international anerkannte Durchschnittsdruck unserer Atmosphäre (barometrischer Druck) auf Höhe des Meeresspiegels liegt bei 1,01325 Pascal (1013,25 hPa (Hektopascal) - bekannt vom Barometer)

Der geringste wahrnehmbare Schallwechseldruck in Pascal wird aus der folgenden Formel ermittelt: 2*10^-5
Dies stellt für die Dezibelskala den sogenannten Bezugswert dar.
Hier wird jetzt auch von der Einheit dBspl (dezibel - sound pressure level) ausgegangen. Also quasi die Rohinformation ohne eine Bewertung.

Da die Bel-Skala einen lograrithmischen Hintergrund besitzt, möchten wir gerne im folgenden die Beziehung von Dezibel zu Pascal darstellen:

0 dB = Bezugspunkt der Lautstärke
20 dB = 10-fache Lautstärke* = 0,0002 Pascal (Pa)
40 dB = 100-fache Lautstärke* = 0,002 Pascal (Pa)
60 dB = 1.000-fache Lautstärke* = 0,02 Pascal (Pa)
80 dB = 10.000-fache Lautstärke* = 0,2 Pascal (Pa)
100 dB = 100.000-fache Lautstärke* = 2 Pascal (Pa)
120 dB = 1.000.000-fache Lautstärke* = 20 Pascal (Pa) (Menschliche Schmerzgrenze)
140 dB = 10.000.000-fache Lautstärke* = 200 Pascal (Pa)
160 dB = 100.000.000-fache Lautstärke* = 2000 Pascal (Pa)
* zum Bezugswert ( 2* 10^-5 Pa )

Tatsächlich geht dies so endlos weiter. 
Lautstärken ab 200 dB und darüber hinaus wären aber sicherlich im körperverletzenden wenn nicht im letalen (tödlichen) Bereich, wie z.B. eine Sprengladung, oder eine Atom- oder Wasserstoffbome.

Pro 6 dB erfolgt eine Halbierung oder Verdoppelung der Schallintensität (Leistung des Schalls pro Fläche).

Eine Abweichung von nur wenigen Dezibel (dB), wie dies bei günstigen Messgeräten der Fall ist, kann, wie man nun sieht, beträchtliche Abweichungen des tatsächlichen Wertes der Energie bedeuten. Dies ist auch der Grund, weshalb in der TA-Lärm nur Klasse 1 Schallpegel-Messgeräte zur Messung zugelassen sind.

Schallpegelbewertung:

Wie schon erläutert, werden Schallpegel mit verschiedenen Bewertungen dargestellt. 

Der messbare Pegelbereich ohne Bewertung nennt sich dBspl (Dezibel - sound pressure level)

Die wichtige dB(A)-Bewertung, die dem Hörvermögen des Menschen am nächsten kommt, ist ausschlaggebend für die meisten Messungen in der Akustik. 

Die höchste Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs (also der Bereich, in dem wir Frequenzen am lautesten wahrnehmen) liegt ungefähr im Bereich zwischen 900 Hz und 4100 Hz.

Um eine ungefähre Einschätzung über den Druck und die Wahrnehmung auf das Gehör zu bekommen, sollte die nachfolgende Tabelle dienlich sein:

0 - 20 dB(A)           sind eigentlich fast nicht hörbar
20 - 30 dB(A)        Sie stehen auf einer grünen Wiese, es gibt keine fremden Geräusche, es weht ein leichter Wind
30 - 40 dB(A)        Die selbe Wiese, nur der Wind weht etwas stärker. Es wird schon Laub bewegt.
40 - 50 dB(A)        Eine leise Unterhaltung
50 - 60 dB(A)        Eine Unterhaltung in normaler Lautstärke (Klassische Fernsehlautstärke)
60 - 70 dB(A)        Stadtverkehr in einiger Entfernung
70 - 80 dB(A)        Stadtverkehr an Hauptstraßen
80 - 90 dB(A)        Lautstärke einer Autobahn
90 - 100 dB(A)      Bohrhammer, Rasenmäher, Musikanlagen von Diskotheken
100 - 110 dB(A)    Klassisches Rockkonzert an der Tribüne, Laubbläser
110 - 120 dB(A)    Akustische Warnanlagen wie Sirenen oder Martinshorn
120 - 130 dB(A)    Hubschrauber, Düsentriebwerke
130 - 140 dB(A)    Auslösender Airbag
140 - 150 dB(A)    Mündungsknall einer Pistole
150 - 160 dB(A)    Mündungsknall eines Gewehrs
160 - 170 dB(A)    Sprengung im Gesteinsabbau
170 - 180 dB(A)    Raketentriebwerk (Saturn V)
194 dB                     Theoretische höchst mögliche Grenze für unverzerrten Schall

Theoretische Werte (bei 200m Entfernung)
180 - 200 dB(A)    Aerosolbombe
190 - 220 dB(A)    Tscheljabinsk Meteor
220 - 270 dB(A)    Atombombe
260 - 300 dB(A)    Wasserstoffbombe



...und dann gibt es noch die C-Bewertung (dB(C))

Bei der C-Bewertung handelt es sich über das Spektrum von 20 Hz bis 20.000 (20 KHz) einer eher, im Vergleich zur A-Bewertung, breitbandigeren Kennlinie.
Dies hat den Hintergrund, dass starke Schallwechseldrücke nicht weniger schädlich sein müssen, nur weil wir sie nicht so stark wahrnehmen.

Bei Messungen, besonders von elektroakustischer Beschallung, muss diese Messbewertung zwingend berücksichtigt und protokolliert werden.
Eine Grenze, die bei dieser Bewertung niemals erreicht werden darf (ISO 15905-5), liegt 135 dB(C). Dies ist besonders im niederfrequenten Bereich von Beschallung sehr wichtig.

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