Basics of Sound

00:02 Jetzt, da wir über die grundlegenden Eigenschaften von Wellen sowie von periodischen Bewegungen gesprochen haben, sind wir bereit, ein Beispiel über diese, genauer gesagt den Schall, zu diskutieren.

00:12 Beginnen wir mit den physikalischen Grundlagen des Schalls, nämlich wie wir ihn messen sowie einige seiner grundlegenden Eigenschaften.

00:19 Nochmals zur Einordnung unserer Arbeit: Wir haben über Mechanik gesprochen, sowie einige Anwendungen wie Strömungen und Elektromagnetismus.

00:27 Da wir nun eine Einführung über Schallwellen erhalten haben, und bevor wir uns dem Thema Licht zuwenden, werden wir über den Schall sprechen.

00:31 Anschließend werden wir uns wieder in die kleineren Strukturen hineinarbeiten, bis hin zu den Atomen und Molekülen.

00:35 Aber zunächst zum Schall.

00:36 Wir werden in dieser Vorlesung zunächst über die Grundlagen sprechen.

00:40 Auch hier ist die Fragestellung, wie Schall gemessen wird und wie er definiert wird. Dann werden wir uns der etwas komplizierteren Schalldynamik widmen und wie man diese komplizierteren Eigenschaften des Schalls messen kann.

00:48 Doch zunächst zu den Grundlagen: Was ist Schall? Wir hören die ganze Zeit so viele Dinge um uns herum und auch Musik wird für uns offensichtlich immer wichtiger in unserem Leben. Aber woher kommt sie? Wie schafft sie es von einer bestimmten Quelle zu unseren Ohren? Und wie erzeugen wir bestimmte Klänge und verschiedene Frequenzen und nehmen all diese zusammen wahr? Stellen wir uns eine Saite einer Gitarre vor.

01:13 Wir nehmen diese und zupfen sie.

01:15 Wenn sie sich von links nach rechts bewegt, passiert Folgendes: Wie wir hier auf dem Bild sehen können, haben wir Gitarrensaiten, die unten und oben befestigt sind.

01:22 Sie vibrieren und bewegen sich von links nach rechts.

01:25 Dabei wird die Luft angestoßen, wenn sie sich in eine Richtung bewegen.

01:29 Die Luft wird sozusagen zusammendrückt, man spricht von einer Kompression.

01:33 Es handelt sich also um eine komprimierte Menge an Luft.

01:35 Wenn die Saite dann wieder in die andere Richtung zurückschwingt, kommt es zu einer Rarefizierung der Luft, sie wird also “weniger dicht”.

01:42 Die Luft wird also durch die Kompression dichter und wenn sich die Saite zurückbewegt, entsteht eine sogenannte Dekompression, was weniger dichte Luft bedeutet.

01:50 Und da die Saite sehr, sehr schnell schwingt erzeugt sie viele, viele, viele dieser Kompressionen und Dekompressionen. Das bedeutet es entstehen viele dichte und weniger dichte Luftwellen.

02:01 Was wir hier sehen können, basiert auf unserer Definition der zwei verschiedenen Arten von Wellen.

02:06 Das ist eine Longitudinalwelle, weil sich die Moleküle in diesem Bild nach von links und rechts bewegen und die Bewegung der Welle ebenfalls von links nach rechts ist.

02:16 Somit entspricht der Schall einer Longitudinalwelle.

02:18 Die Schallgeschwindigkeit, wie wir sie bei Wellen besprochen haben, hängt nur von dem Medium ab, durch das sich der Schall ausbreitet.

02:25 Bewegt sich der Schall also nur durch die Luft, hat dieser immer eine bestimmte Geschwindigkeit.

02:30 Wir wissen also immer, wie schnell sich der Schall ausbreitet, unabhängig davon zu wissen, wie schnell sich die Quelle bewegte oder ob er beispielsweise von einem Auto oder etwas anderem, das sich schnell oder langsam bewegt, verursacht wurde.

02:39 Die Geschwindigkeit wird immer gleich sein.

02:41 Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt etwa 340 Meter pro Sekunde.

02:46 Die Schallgeschwindigkeit ist davon abhängig, in welchem Medium sich der Schall ausbreitet.

02:52 Der Schall breitet sich in Flüssigkeiten oder Festkörpern deutlich schneller aus.

02:56 Es gibt deutliche Geschwindigkeitsunterschiede, mit denen sich Schall durch verschiedene Materialien bewegt.

03:00 Es ist nicht nur für die Wissenschaft relevant, dass und wie sich diese unterschiedliche Schwingungs- oder Schallwellen durch die Erde bewegen.

03:07 Egal, ob sie durch ein Erdbeben oder etwas anderes verursacht werden, wir haben so die Möglichkeit, die inneren Strukturen der Erde zu messen und wissen somit, wie die Erde aufgebaut ist.

03:16 Abgesehen von den Naturwissenschaften können wir diesen Effekt aber auch zur Untersuchung des menschlichen Körpers nutzen.

03:22 Wir können kleine Schallwellen in den menschlichen Körper senden und dann sehen und hören, was davon auf der anderen Seite noch herauskommt.

03:29 Und indem man einfach nur diese Art von Mathematik und Physik anwendet, können wir analysieren, wo eine solidere Struktur liegt und wo weniger dichte Strukturen vorliegen.

03:37 Die Schlussfolgerung erfolgt nur darauf, wie sich die Schallwellen durch den Körper bewegen.

03:42 Die klinische Bedeutung des Schalls ist also tatsächlich ziemlich groß, wenn dieser sich durch verschiedene Medien und verschiedene Arten von Materialien bewegt.

03:50 Die Energie einer Schallwelle, die bei der Ausbreitung des Schalls von einer bestimmten Quelle aus entsteht, verteilt sich über die gesamte Oberfläche der Erdkugel.

04:02 Man kann sich also vorstellen, dass der Schall von einer Quelle ausgeht, zum Beispiel von der Bewegung eines Moleküls.

04:09 Die vibrierenden Moleküle können andere Moleküle umher stoßen und das in jeder der drei Dimensionen.

04:13 So wird diese Energie in allen drei Dimensionen verbreitet und weitergeleitet.

04:17 Da diese entstandene Energie irgendwie verteilt werden muss, bewegt diese sich über die Oberfläche der Kugel nach außen.

04:24 Auch diese Energie bleibt also erhalten, sodass wir sagen können, dass sich die Schallwelle als Welle in allen drei Dimensionen ausbreitet.

04:33 Wir wissen, wie man die Oberfläche einer Kugel berechnet.

04:35 Diese hängt vom Quadrat des Radius dieser Kugel ab.

04:39 Wir können daher also auch sagen, dass die Intensität oder die Energie des Schalls mit dem Quadrat der Entfernung, mit der wir uns vom Schall befinden, abnimmt.

04:47 Wenn wir uns zum Beispiel doppelt so weit von einer Schallquelle entfernen, dann würde sie ein Viertel so laut klingen, denn die Intensität des Schalls sinkt mit dem Quadrat der Entfernung und nicht gleichermaßen mit der Entfernung. (Aus den soeben beschriebenen Gründen.) Dieses Vierteln der Schallintensität ist tatsächlich sehr wichtig für die Funktionsweise unseres Gehörs.

05:08 Der Mensch nimmt Schall über die Entfernung wahr.

05:12 Wenn wir uns also doppelt so weit wegbewegen, ist die Art und Weise, wie wir das Geräusch wahrnehmen so, dass unser Gehirn und wir wissen, dass die Schallquelle doppelt so weit entfernt ist.

05:20 Aber wir haben gerade gesagt, dass die Schallintensität tatsächlich nur ein Viertel so hoch ist.

05:27 Der Unterschied besteht also darin, dass wir den Schall auf Grundlage der Entfernung wahrnehmen wollen, sodass wir wissen, wie weit etwas tatsächlich entfernt ist.

05:32 Dass im Vergleich dazu die Energie nur ein Viertel beträgt, hat einige Auswirkungen darauf, wie wir über die auf uns einwirkende Schallintensität diskutieren.

05:40 Und aus diesem Grund brauchen wir eine Messskala, die dies als Potenzgesetz ausdrückt.

05:46 Wir wollen dies noch einmal betonen, denn dies ist ein etwas komplizierter Punkt: Unsere Wahrnehmung von Schall hängt davon ab, wie weit wir von diesem entfernt sind.

05:55 Wenn wir also zum Beispiel neben jemandem stehen, der redet und wir stehen dann doppelt so weit entfernt, wie davor, so müssen wir diese Entfernung richtig wahrnehmen.

06:02 Wenn wir unsere Augen schließen, möchte wir wissen, wo sich diese Person befindet.

06:06 Dies stellt aber eine Diskrepanz zur tatsächlichen Schallintensität dar, da diese, wenn der Schall die Person beim Sprechen verlässt, wie wir es gerade beschrieben haben, mit dem Potenzgesetz, also im Quadrat der Entfernung, abnimmt.

06:18 Und das ist auch der Grund, weshalb wir eine etwas kompliziertere Art haben, den Schall zu beschreiben und ihn zu messen.