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Wissen - Akustik für Einsteiger

Akustik für Einsteiger

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In Büchern über Akustik trifft man oft auf endlose Abhandlungen über die Frage, warum Akustik denn nun sooo wichtig für unser aller Glück auf Erden ist, außerdem auf kryptische Formeln und unverständliche Skizzen.
Deshalb ist dieses Kapitel möglichst einfach gehalten. Der Standardsatz für Unkundige lautet: "Audiodaten bestehen im Prinzip aus periodischen Schwingungen."
Wenn z.B. ein Luftballon zerplatzt, dann wird die Luft in der Umgebung in einem bestimmten Muster komprimiert und dekomprimiert, es entstehen Druckwellen, die sich verteilen und fortbewegen, wobei natürlich durch Reibung und Verteilung ihre Stärke abnimmt, je weiter sie sich vom Objekt entfernen. Unser Ohr hat nun eine Membran mit winzigen Haarzellen, (die sog. Basilarmembran), die durch die Druckwellen in Schwingung versetzt werden. An der Art der Schwingungen kann der dafür zuständige Teil des Gehirn (der auditorische Cortex) das Geräusch als Platzen eines Luftballons o.ä. identifizieren. Diese Druckwellen können auch an Wänden abprallen und reflektiert werden, es entsteht ein Echo. Dieses Echo kann wieder an einer anderen Wand abprallen, dabei immer leiser werden und schließlich ausklingen. Ein Nachhall entsteht. Die Länge des Nachhalls ist abhängig von der Größe des Raumes, der Lautstärke des Schallimpulses. Der Klang des Nachhalls sind abhängig von der Beschaffenheit der Wände: Eine Stahlwand läßt Druckwellen knallhart abprallen, ein Samtvorhang schluckt fast alle ihm entgegenkommenden Druckwellen. Ein rechtwinkliger Raum mit glatten, gekachelten Wänden läßt einen sehr spitzen Hall mit hörbarem Echo entstehen, ein verwinkelter Raum mit viel Krimskrams drin läßt einen weichen, gleichmäßig abklingenden Nachhall entstehen. Druckwellen können auch andere Gegenstände (z.B. die Tischplatte, auf denen die Boxen stehen) in Schwingung versetzten, man nennt das dann Resonanz.
Oft gibt es eine bestimmte Resonanzfrequenz, bei der dann die Spüle der Küche anfängt zu klappern. Wenn zwei kahle Wände parallel gegenüberstehen, entsteht eine Resonanz, deren Frequenz in einem bestimmten mathematischen Verhältnis zu dem Abstand beider Wände steht. Man spricht von einer stehenden Welle, weil Schallwellen mit einer bestimmten Länge immer wieder an beiden Wänden abprallen. Deshalb sind viele Tonstudios in trapezförmigen Räumen untergebracht, und die Wände sind mit Schaumstoff beklebt. Die o.g. Schwingungen, die aus Auf- und Abbewegungen bestehen, können verschieden schnell sein. Diese Schwingungsgeschwindigkeit heißt Frequenz und wird in Hertz (Hz) gemessen. Ein Hertz entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Wenn wir einen Ton in 440 Hz (also mit 440 Auf- und Abbewegungen) hören, erkennen wir, daß dies wie die Note A klingt. Bei 880 Hz klingt das Ganze immer noch wie ein A, nur eine Oktave höher. Was bedeutet eigentlich 'dezibel' (dB)?
Sie ist eine vereinfachte Maßeinheit für die Lautstärke einer Schallquelle. Lautstärke wird eigentlich gemessen in Watt pro Quadratzentimeter (W/cm²). Bei 0,000 000 000 000 000 1 Watt/cm² kann das Ohr bereits etwas wahrnehmen, man spricht von einer Hörschwelle. Und bei 0,001 W/cm² liegt die sog. Schmerzschwelle - bei dieser Lautstärke treten starke Schmerzempfindungen auf. Die Schallenergie bei der Schmerzschwelle ist also 10 Billionen (!) mal größer als bei der Hörschwelle. Um nun nicht mit riesigen Einheiten herumhantieren zu müssen, benutzt man den sog. 10er-Logarithmus des Wertes in W/cm². Somit entspricht die Zunahme der Lautstärke um 10 dB der zehnfachen Schallenenergie. Bei 0 dB liegt dann die Hörschwelle, und bei 130 db liegt die sog. Schmerzschwelle. Wie man eine Schwingung graphisch darstellt

Die graphische Darstellung eines Schallereignisses kennt man vielleicht schon, und zwar als Wellenform bei diverser Software zur Audiobearbeitung. Wie die graphische Dartellung funktioniert, will ich an einem Modell veranschaulichen:
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Man muß sich dazu einen Bleistift vorstellen, der an einer Blattfeder befestigt ist, welche durch die Luft in Schwingung versetzt wird. Darunter wird eine sich drehende Papierrolle angebracht, auf dem der Bleistift nun seine Bahn nachzeichnet. Auf der X-Achse haben wir dann den Zeitverlauf, und auf der Y-Achse die Position des Bleistifts. Im Ruhezustand (bei Stille) ruht der Bleistift in der Mitte. Den weitesten Abstand des Bleistiftstriches zur Mitte bezeichnet man übrigens als Amplitude. Hier war der Ausschlag der schwingenden Blattfeder am größten. Im Kapitel über digitale Audiodaten kann man nachlesen, wie man so einen Graphen auch digital darstellen kann. Auf diese Art funktioniert die gute alte Schallplatte auch: Ihre Rillen bestehen aus Bergen und Tälern, auf denen die Nadel entlanggleitet. Dadurch wird sie in Schwingung versetzt, welche dann (elektrisch verstärkt) als Musik hörbar ist. Auch ein Lautsprecher funktioniert im Prinzip ganz einfach: Ein Magnet zieht eine Pappscheibe entweder an oder stößt sie ab, wodurch die Luft komprimiert und dekomprimiert wird, was unser Gehör dann als Geräusch wahrnimmt. A N D E R E S E I T E N Z U M T H E M A