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Klang

Klang ist eine Störung der mechanischen Energie, die sich durch ausbreitet Angelegenheit Als ein Welle . Schall wird durch die Eigenschaften von Schallwellen charakterisiert, die Frequenz, Wellenlänge, Periode, Amplitude und Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit sind.

Erläuterung

Der Mensch nimmt Geräusche über den Gehörsinn wahr. Mit Schall meinen wir üblicherweise die Schwingungen, die sich durch die Luft ausbreiten und von Menschen gehört werden können. Wissenschaftler und Ingenieure verwenden jedoch eine breitere Definition von Schall, die nieder- und hochfrequente Schwingungen in der Luft umfasst, die von Menschen nicht gehört werden können, und Schwingungen, die sich durch alle Formen von Materie ausbreiten. Gase , Flüssigkeiten und Feststoffe. Die Materie, die den Klang trägt, wird als Medium bezeichnet. Schall breitet sich aus als Wellen von wechselndem Druck, was zu lokalen Kompressions- und Verdünnungsregionen führt. Partikel im Medium werden durch die Welle verschoben und schwingen. Die wissenschaftliche Untersuchung des Schalls wird als Akustik bezeichnet.

Lärm und Ton bedeuten oft dasselbe; Lärm wird jedoch oft verwendet, um sich auf einen unerwünschten Ton zu beziehen. In Wissenschaft und Technik ist Rauschen eine unerwünschte Komponente, die ein Signal verdeckt.

Wahrnehmung von Geräuschen

Eine schematische Darstellung des Hörens. (Blau: Schallwellen. Rot: Trommelfell. Gelb: Cochlea. Grün: Hörrezeptorzellen. Lila: Frequenzspektrum der Hörreaktion. Orange: Nervenimpuls.)

Schall wird über den Gehörsinn wahrgenommen. Menschen und viele Tiere verwenden ihre Ohren, um Geräusche zu hören, aber laute Geräusche und niederfrequente Geräusche können von anderen Körperteilen über den Tastsinn als Vibrationen wahrgenommen werden. Klänge werden auf verschiedene Weise verwendet, insbesondere für die Kommunikation durch Sprache und Musik . Sie können auch verwendet werden, um Informationen über Eigenschaften der Umgebung wie räumliche Eigenschaften und das Vorhandensein anderer Tiere oder Objekte zu gewinnen. Zum Beispiel, Fledermäuse nutzen die Echoortung, Schiffe und U-Boote nutzen Sonar und der Mensch kann räumliche Informationen über die Art und Weise bestimmen, wie er Geräusche wahrnimmt.

Menschen können im Allgemeinen Geräusche mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz hören, obwohl dieser Bereich je nach Alter, berufsbedingtem Hörschaden und Geschlecht erheblich variiert; Die Mehrheit der Menschen kann im Teenageralter 20.000 Hz nicht mehr hören und verliert mit zunehmendem Alter zunehmend die Fähigkeit, höhere Frequenzen zu hören. Die meiste menschliche Sprachkommunikation findet zwischen 200 und 8.000 Hz statt und das menschliche Ohr ist am empfindlichsten für Frequenzen um 1.000 bis 3.500 Hz. Schall oberhalb des Hörbereichs wird als Ultraschall bezeichnet, Schall unterhalb des Hörbereichs als Infraschall.

Die Amplitude einer Schallwelle wird durch ihren Druck angegeben. Das menschliche Ohr kann Geräusche mit einem sehr großen Amplitudenbereich wahrnehmen, daher wird eine logarithmische Dezibel-Amplitudenskala verwendet. Die leisesten Geräusche, die Menschen hören können, haben eine Amplitude von etwa 20 µPa (Mikropascal) oder einen Schalldruckpegel (SPL) von 0 dB bzw. 20 µPa (oft fälschlicherweise als 0 dB SPL abgekürzt). Eine längere Exposition gegenüber einem Schalldruckpegel von mehr als 85 dB kann das Ohr dauerhaft schädigen, was zu Tinnitus und Hörschäden führen kann. Schallpegel von mehr als 130 dB sind mehr, als das menschliche Ohr sicher aushalten kann, und können zu ernsthaften Schmerzen und dauerhaften Schäden führen. Bei sehr hohen Amplituden zeigen Schallwellen nichtlineare Effekte, einschließlich Schock.

Schallgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall ausbreitet, hängt von dem Medium ab, durch das die Wellen laufen, und wird oft als grundlegende Eigenschaft des Materials bezeichnet. Im Allgemeinen ist die Schallgeschwindigkeit proportional zur Quadratwurzel des Verhältnisses der Steifigkeit des Mediums und seiner Dichte. Diese physikalischen Eigenschaften und die Schallgeschwindigkeit ändern sich mit den Umgebungsbedingungen. Beispielsweise hängt die Schallgeschwindigkeit in Luft und anderen Gasen von der Temperatur ab. In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 345 m/s, in Wasser 1500 m/s und in einem Stahlstab 5000 m/s. Die Schallgeschwindigkeit reagiert auch leicht (bis zur zweiten Ordnung) auf die Schallamplitude, was zu nichtlinearen Ausbreitungseffekten führt, wie z. B. der schwachen Erzeugung von Obertönen und dem Mischen von Tönen (siehe parametrisches Array).

Schalldruck

Schalldruck ist die Druckabweichung vom örtlichen Umgebungsdruck verursacht durch a Klang Welle . Der Schalldruck kann mit einem Mikrofon in Luft und einem Hydrophon in Wasser gemessen werden. Die SI-Einheit für Schalldruck ist Pascal (Symbol: Pa). Der momentane Schalldruck ist die Abweichung vom örtlichen Umgebungsdruck, die durch eine Schallwelle an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt verursacht wird. Der effektive Schalldruck ist der quadratische Mittelwert des momentanen Schalldrucks über ein bestimmtes Zeitintervall. Bei einer Schallwelle ist die zum Schalldruck komplementäre Variable die Schallgeschwindigkeit der Teilchen. Für kleine Amplituden stehen Schalldruck und Teilchengeschwindigkeit in linearem Zusammenhang und ihr Verhältnis ist die akustische Impedanz. Die akustische Impedanz hängt sowohl von den Eigenschaften der Welle als auch vom Medium ab. Die örtliche momentane Schallintensität ist das Produkt aus Schalldruck und Schallgeschwindigkeit und damit eine vektorielle Größe in der Zeit.

Schalldruckpegel

Da das menschliche Ohr Töne mit einem sehr großen Amplitudenbereich wahrnehmen kann, wird der Schalldruck oft als Pegel auf einer logarithmischen Dezibelskala gemessen.

Das Schalldruckpegel (SPL) bzw L_p ist definiert als

$L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_0}^2}\right)=20\, \log_{10}\left(\ frac{p}{p_0}\right)\mbox{dB}$

wo p ist der Effektivwert des Schalldrucks und p₀ ist ein Referenzschalldruck. (Bei der Verwendung von Schalldruckpegeln kann es wichtig sein, den verwendeten Referenzschalldruck anzugeben.) Üblicherweise verwendete Referenzschalldrücke, definiert in der Norm ANSI S1.1-1994, sind 20 µPa in Luft und 1 µPa in Wasser.

Da das menschliche Ohr keine flache spektrale Empfindlichkeit hat, werden Schalldruckpegel oft frequenzgewichtet, so dass der gemessene Pegel besser mit den wahrgenommenen Pegeln übereinstimmt. Die International Electrotechnical Commission (IEC) hat mehrere Gewichtungsschemata definiert. A-bewertete Versuche, die Reaktion des menschlichen Ohrs auf Geräusche und A-bewertete Schalldruckpegel abzugleichen, werden mit dBA bezeichnet. Die C-Bewertung wird verwendet, um Spitzenpegel zu messen.

Beispiele für Schalldruck und Schalldruckpegel

Schallquelle	Schalldruck	Schalldruckpegel
	paskal	dB re 20 µPa
Schmerzgrenze	100	134
Hörschäden bei Kurzzeiteinwirkung	zwanzig	ca. 120
Jet, 100 m entfernt	6 - 200	110 - 140
Presslufthammer, 1 m entfernt / Diskothek	zwei	ca. 100
Gehörschäden bei Langzeiteinwirkung	6×10⁻¹	ca. 90
Hauptstraße, 10 m entfernt	2×10⁻¹ - 6×10⁻¹	80 - 90
Pkw, 10 m entfernt	2×10⁻² - 2×10⁻¹	60 - 80
TV-Gerät auf Wohnebene, 1 m entfernt	2×10⁻²	das. 60
normal sprechen, 1 m entfernt	2×10⁻³ - 2×10⁻²	40 - 60
sehr ruhiges Zimmer	2×10⁻⁴ - 6×10⁻⁴	20 - 30
hinterlässt Geräusche, ruhiges Atmen	6×10⁻⁵	10
Hörschwelle bei 2 kHz	2×10⁻⁵	0