Schall einfach erklärt: Entstehung und Eigenschaften

Schall entsteht, wenn etwas schwingt, also sich schnell hin und her bewegt: das Fell einer Trommel, eine Saite oder deine Stimmlippen im Hals. Das, was schwingt, nennt man die Schallquelle. Damit der Schall weiterkommt, braucht er einen Stoff, in dem er sich ausbreitet. Diesen Stoff nennt man Medium. Das kann ein Gas wie Luft sein, eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein fester Stoff wie Holz oder Metall.

Die Schwingung der Quelle drückt die Luft daneben kurz zusammen und lässt sie dann wieder dünner werden. Dieser Wechsel von dichter und dünner Luft wandert durch das Medium weiter. Das nennt man eine Schallwelle. Die Luftteilchen reisen dabei nicht bis zu deinem Ohr: Sie bewegen sich nur ein winziges Stück hin und her und stoßen ihre Nachbarn an. Wie schnell Schall ist, hängt vom Medium und von dessen Temperatur ab. Bei 20 °C (Grad Celsius) legt Schall in Luft 343 Meter pro Sekunde zurück, das sind etwa 1.235 Kilometer pro Stunde. In Wasser sind es bei 20 °C sogar 1.484 Meter pro Sekunde. In wärmerer Luft ist Schall schneller als in kälterer.

Ein Vakuum ist ein Raum ohne Luft und ohne anderen Stoff. Dort gibt es keinen Schall, denn Schall braucht immer ein Medium. Auch wenn im Vakuum etwas schwingt, fehlt der Stoff, der die Schwingung weitergibt. Licht dagegen kommt auch durch ein Vakuum, denn es ist eine andere Art von Welle, die keinen Stoff braucht.

Am Ende des Weges steht ein Schallempfänger, also etwas, das Schall aufnimmt, zum Beispiel ein Mikrofon oder dein Ohr. Im Ohr läuft die Schallwelle durch den Gehörgang bis zum Trommelfell, einem dünnen Häutchen. Es schwingt mit. Drei winzige Knochen im Mittelohr, die Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel, geben die Schwingung ins Innenohr weiter. Dort liegt die Hörschnecke, ein schneckenförmiges Organ, das mit Flüssigkeit gefüllt ist. In ihr sitzen Haarzellen mit feinen Härchen. Bewegt sich die Flüssigkeit, werden die Härchen gebogen und lösen Nervenimpulse aus. Nervenimpulse sind kleine Signale, die durch Nerven laufen. Der Hörnerv leitet sie zum Gehirn. Erst im Zusammenspiel von Ohr und Gehirn entsteht, was du hörst.

Die Frequenz gibt an, wie oft eine Schwingung in einer Sekunde hin und her geht. Man misst sie in Hertz, abgekürzt Hz: 1 Hz heißt eine Schwingung pro Sekunde. 1.000 Hz nennt man auch 1 Kilohertz, abgekürzt kHz. Je größer die Frequenz, desto höher hörst du den Ton; je kleiner die Frequenz, desto tiefer. Junge Menschen hören etwa von 16 Hz bis höchstens 20.000 Hz. Tiefere Töne heißen Infraschall, höhere Ultraschall; beide kann der Mensch nicht hören. Elefanten nehmen noch tiefere Töne wahr, Hunde und Fledermäuse noch höhere. Mit dem Alter, aber auch durch laute Musik, Lärm oder einen Knall lässt das Hören vor allem bei hohen Tönen nach, teilweise für immer.

Die Amplitude gibt an, wie stark eine Schwingung ausschlägt. Bei Schall in Luft heißt das: wie stark der Luftdruck an einer Stelle schwankt. Diese Schwankungen nimmt dein Trommelfell auf. Bleibt die Tonhöhe gleich, gilt: Je größer die Amplitude, desto lauter hörst du den Ton. Wie laut ein Ton wirkt, hängt aber auch davon ab, wie hoch er ist. Wie stark Schall ist, gibt man in Dezibel an, abgekürzt dB. Bei etwa 130 dB liegt die Schmerzschwelle des Menschen: Ab dieser Stärke tut Schall in den Ohren weh.

In der Physik ist ein Ton eine ganz gleichmäßige, reine Schwingung. Ein Klang ist eine Mischung aus mehreren Tönen. Der tiefste davon heißt Grundton; nach ihm richtet sich die Tonhöhe, die du hörst. Die höheren Töne, die mit ihm zusammen erklingen, heißen Obertöne. In der Musik nennt man auch einen Klang oft einfach „Ton“. Bei vielen Instrumenten prägen die Obertöne die typische Klangfarbe, also das, woran du zum Beispiel eine Klarinette von einem Klavier unterscheidest. Das ist ein Grund dafür, dass Instrumente bei gleicher Tonhöhe verschieden klingen. Es gibt aber noch weitere Gründe.

Resonanz heißt Mitschwingen. Ein Körper, der schwingen kann, schwingt nach einem Anstoß mit einer für ihn typischen Frequenz. Diese Frequenz heißt Eigenfrequenz. Trifft ihn eine Schwingung mit passender Frequenz, wird er zu großen Schwingungen angeregt. Das kennst du von der Schaukel: Schubst du sie im richtigen Takt an, schwingt sie höher und höher. Das Wort Resonanz kommt aus der Akustik, der Lehre vom Schall. Dort bezeichnet es seit alter Zeit das deutlich hörbare Mitschwingen von Saiten, wenn ein Ton mit passender Tonhöhe erklingt. Der Naturforscher Galileo Galilei beschrieb schon in Untersuchungen von 1602 und 1638 an Pendeln und Saiten, dass Kräfte im richtigen Takt große Schwingungen anregen. Ein Pendel ist ein hängendes Gewicht, das hin und her schwingt. Musikinstrumente nutzen Resonanz: Ein Resonanzkörper ist ein Körper, der mitschwingen kann und so Klänge und Töne verstärkt. Meist ist er hohl.

Reflexion heißt: Schall wird zurückgeworfen. Ebene, harte und glatte Flächen, die wenig Schall schlucken, reflektieren ihn gut, zum Beispiel eine Felswand oder eine glatte Mauer. Was du hörst, hängt davon ab, wie viele solche Flächen es gibt und wie sie angeordnet sind. Steht eine harte Wand weit genug weg, kommt dein Ruf deutlich getrennt zurück: ein Echo. Ob du einen Rückwurf als eigenes Echo wahrnimmst, hängt davon ab, wie spät er bei dir ankommt. Ist die Wand sehr nah, kommt er so schnell zurück, dass du ihn nicht als eigenen Ruf hörst. In großen Räumen mit harten Wänden, etwa in Kirchen, klingt ein Ton noch eine Weile nach: Das ist der Nachhall.

Absorption heißt: Schall wird geschluckt, also geschwächt, statt zurückgeworfen. Dafür nimmt man poröse oder faserige Stoffe. Porös heißt: Der Stoff hat viele kleine Löcher, sogenannte Poren, wie ein Schwamm. Faserig heißt: Er besteht aus vielen feinen Fäden, wie Filz oder Wolle. In solchen Stoffen trifft der Schall auf eine viel größere Oberfläche als an einer glatten Wand. Er wird darin oft umgelenkt, bevor er wieder herauskommt, und hat dann einen längeren Weg hinter sich. Schon dieser längere Weg kann den Schall schwächen. Das ist aber nur ein Teil der Erklärung. Ein Raum mit wenig reflektierenden Flächen klingt trocken: Es hallt kaum.

Ein Modell ist eine vereinfachte Vorstellung, mit der man Beobachtungen erklärt. Unser Schallmodell lautet: Eine Quelle schwingt, ein Medium gibt die Schwingung weiter, ein Empfänger nimmt sie auf. Die Frequenz der Schwingung bestimmt die Tonhöhe, die Amplitude bei gleicher Tonhöhe die Lautstärke, und Obertöne prägen die Klangfarbe. Mit diesem Modell kannst du Stimmen und Instrumente erklären.

Deine Stimme entsteht im Kehlkopf. Er bildet das obere Ende der Luftröhre und liegt vorne im Hals. Im Kehlkopf sind zwei Stimmlippen gespannt. Beim Atmen sind sie weit geöffnet, damit die Luft ungehindert ein- und ausströmen kann. Um einen Ton mit der Stimme zu bilden, schließen sie sich bis auf einen schmalen Spalt, die Stimmritze. Die Luft aus der Lunge bringt sie dann zum Schwingen, ähnlich wie das Rohrblatt einer Klarinette, ein dünnes Blättchen, das beim Anblasen schwingt. Muskeln können die Spannung der Stimmlippen verändern. Sind sie entspannter, schwingen sie langsamer, und der Grundton wird tiefer. Sind sie stärker gespannt, schwingen sie schneller, und der Ton wird höher. Danach verändern die Räume über den Stimmlippen den Klang weiter: Rachen, Mundraum und Nasenraum. Man nennt sie Ansatzräume. Im Stimmbruch werden bei Jungen und Mädchen die Stimmlippen dicker und länger. Die mittlere Sprechstimme wird dabei tiefer, bei Jungen deutlich stärker als bei Mädchen. Das passt zum Modell: Längere, dickere Stimmlippen schwingen langsamer, ähnlich wie eine längere, dickere Saite.

Bei einem Saiteninstrument sind eine oder mehrere Saiten zwischen zwei Punkten gespannt. Sie werden meist gezupft, etwa bei der Gitarre, oder mit einem Bogen gestrichen, etwa bei der Geige. Für die Tonhöhe gilt bei jeder Saite: Je kürzer, je straffer gespannt und je dünner sie ist, desto höher wird der Ton. Verschiedene Töne entstehen auf zwei Wegen: Entweder drückt man eine Saite herunter, sodass nur ein Teil von ihr schwingt, oder jeder Ton hat seine eigene Saite. Meist wird die Schwingung der Saiten auf einen Resonanzkörper übertragen, auch Korpus genannt. Er ist meist hohl; bei der Geige ist er ein Kasten. Er schwingt mit und verstärkt die Klänge.