Schallwellen, Dezibel und das lauteste je aufgezeichnete Geräusch
Die Wellengleichung, wie die Temperatur die Schallgeschwindigkeit verändert, die logarithmische Dezibelskala und was die Berichte über den Krakatau von 1883 verraten. Mit einem Echoversuch zur Messung der Schallgeschwindigkeit.
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Schall ist eine longitudinale Druckwelle: eine Störung der Materie, die sich von ihrer Quelle aus nach außen ausbreitet und aus Verdichtungen und Verdünnungen besteht. Wie jede Welle gehorcht sie v = f·λ, wobei v die Ausbreitungsgeschwindigkeit, f die Frequenz und λ die Wellenlänge ist. Der Hörbereich des Menschen reicht ungefähr von 20 Hz bis 20.000 Hz.[1][2]
In Luft hängt die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur ab: v = 331 m/s × √(T / 273 K), mit T in Kelvin. Bei 20 °C (293 K) ergibt das etwa 343 m/s. In Süßwasser breitet sich Schall mit etwa 1480 m/s aus, in Stahl mit etwa 5960 m/s.[2]
Schall braucht ein Medium. Der Weltraum ist größtenteils praktisch ein Vakuum, darum können sich Schallwellen dort nicht ausbreiten. Das heiße Gas in Galaxienhaufen ist allerdings dicht genug, um Druckwellen sehr niedriger Frequenz weiterzuleiten.[5]
Die Lautstärke misst man auf der logarithmischen Dezibelskala: β = 10·log₁₀(I / I₀), mit I₀ = 10⁻¹² W/m² (der Hörschwelle). Jede Zunahme um 10 dB bedeutet die 10-fache Intensität: Ein Geräusch mit 90 dB ist 1000-mal so intensiv wie eines mit 60 dB. Typische Werte: Flüstern 20 dB, Gespräch 60 dB, Schmerzschwelle 120 dB, Düsenflugzeug in 30 m Entfernung 140 dB, Trommelfelle platzen bei etwa 160 dB.[3]
Im August 1883 explodierte der Vulkan Krakatau. Ein Barometer im Gaswerk von Batavia, etwa 160 km entfernt, sprang um mehr als 2,5 Zoll Quecksilbersäule, ein Druckstoß von mehr als 172 dB. Auf dem Schiff Norham Castle, etwa 64 km entfernt, schrieb der Kapitän, dass bei mehr als der Hälfte seiner Mannschaft die Trommelfelle zerrissen seien.[4]
Die Explosion war auf der Insel Rodrigues zu hören, etwa 4.800 km entfernt. Noch lange, nachdem sie zu leise zum Hören war, zeichneten Barometer auf der ganzen Welt die Druckwelle auf, während sie drei- bis viermal in jeder Richtung um den Globus lief.[4]
Ausprobieren: Die Schallgeschwindigkeit mit einem Echo messen
Du brauchst
- Eine große, ebene Wand (ein Schulgebäude) mit freier Fläche davor
- Ein Maßband oder ein Messrad
- Zwei Holzklötze zum Zusammenschlagen
- Eine Stoppuhr (oder ein Handy)
Sicherheit
Wähle einen Ort abseits vom Verkehr. Halte die Finger von den Klötzen fern. Keine Startpistolen oder etwas Explosives verwenden.
So geht's
- Stell dich mindestens 50 m von der Wand entfernt auf. Miss den Abstand d zur Wand.
- Schlag die Klötze einmal zusammen und horche auf das Echo.
- Klatsche jetzt gleichmäßig, sodass jeder Schlag genau dann erfolgt, wenn du das Echo des vorigen hörst. Übe den Rhythmus.
- Eine Partnerin oder ein Partner stoppt 20 Schläge (beim ersten mit „null“ zu zählen beginnen). Dreimal wiederholen.
- Zwischen zwei Schlägen läuft der Schall zur Wand und zurück, also die Strecke 2d. Zeit pro Schlag t = (Gesamtzeit) ÷ 20.
- Berechne v = 2d / t. Vergleiche mit 331 × √(T/273) für die heutige Lufttemperatur.
Was passiert, und warum?
Die Echomethode nutzt einen langen Weg und viele Wiederholungen, damit Fehler durch die Reaktionszeit klein werden. Dein Ergebnis sollte höchstens etwa 10 % von 340 m/s abweichen. Wärmere Luft ergibt eine etwas höhere Geschwindigkeit, wie v = 331·√(T/273 K) vorhersagt.[2]
Spielen: Dezibel-Leiter
Ordne jedes Geräusch oder jede Rechnung der richtigen Sprosse der Dezibel-Leiter zu. Denk daran: +10 dB ist die 10-fache Intensität.
Dein bester Punktestand wird nur auf diesem Gerät gespeichert. Es wird nichts verschickt.
Quiz
Andere Altersstufen: 6–7 Jahre · 10–11 Jahre