Was hört man eigentlich?

Durch die Ohren zieht Leben ein – die Stimme der Mutter ist die erste Verbindung des Kindes im Mutterleib zur Welt da draußen. Später bestimmen tausende Geräusche den Tag: der Wecker, der den Schlaf beendet, das warnende Hupen eines Autos, die lieben Worte von Freunden.

Dabei sind die Töne, Klänge und Geräusche, die den Alltag begleiten, nicht mehr als für das Auge unsichtbare Wellen, die etwas Luft herumschieben und dabei zufällig auf die Ohren treffen: Schallwellen. Um sie zu erzeugen, braucht es keine chemischen Reaktionen, hier ist Physik gefragt. Denn Schall ist die wellenförmige Bewegung von Teilchen, etwa der Luft oder des Wassers. Ohne Teilchen, zum Beispiel im Vakuum des Weltalls, gibt es keine Geräusche. Den lauten Knall von explodierenden Raumschiffen in Science-Fiction-Filmen kann es deshalb in der Realität nicht geben.

Schall entsteht, wenn ein Körper schwingt. Beispiele sind die Membran einer Trommel unter den Schlägen des Musikers oder unsere Stimmbänder die vibrieren, wenn Atemluft durch den Kehlkopf strömt. Wie sich eine solche Schallwelle entwickelt, kann am Beispiel des Läutens einer Kirchenglocke veranschaulicht werden. Stößt man die Glocke an, prallt der Klöppel gegen die Metallwand und bringt sie zum Schwingen. Biegt sich das Metall nach außen, werden die Moleküle in der Luft weggeschubst. Sie stoßen an benachbarte Teilchen, die wieder mit ihren Nachbarn kollidieren. Schwingt das Metall wieder nach innen, so entsteht mehr Platz zwischen den Teilchen, sie werden auseinandergezogen. Auf diese Weise bildet sich eine wellenförmige Bewegung mit dichten und weniger dichten Anteilen. Sie breitet sich in alle Richtungen aus, ganz ähnlich den kreisförmigen Wellen, nachdem man einen Stein ins Wasser hat plumpsen lassen.

Mit 343 Metern pro Sekunde (bei 20 Grad Celsius) bewegt sich Schall in der Luft rasend schnell – umgerechnet sind das gut 1.200 Stundenkilometer. Geräusche sind also zehnmal so schnell wie ein Auto, das auf der Autobahn 120 Kilometer pro Stunde fährt. Im Wasser breitet sich Schall sogar noch sehr viel schneller aus: Mit 1.480 Metern pro Sekunde. Für Schallgeschwindigkeit müsste ein U-Boot also gut 5.300 km in der Stunde erreichen, bei einem Flugzeug dagegen reichen die besagten gut 1.200 km/h.

Wie laut ein Geräusch ist, hängt von der Entfernung zur Schallquelle ab. Direkt vor einem Lautsprecher bei einem Konzert kann man am eigenen Leib erfahren, was die dröhnende Musik mit der Luft anstellt. Am besten funktioniert das bei einem Lied mit viel Schlagzeug oder Bass – treffen deren Schallwellen sehr laut auf den Körper, können sie als eine Art Flattern in der Brust wahrgenommen werden.

Prallt der Schall auf Gegenstände, wird die Welle abgeschwächt. Damit bei einem Open-Air-Festival die Musik nicht von den ersten Publikumsreihen geschluckt wird, sondern auf direktem Weg auch Zuschauer weiter hinten erreicht, ist die Bühne meist besonders hoch. Bei Konzerten in Hallen ist das nicht ganz so wichtig, denn dort reflektieren die Wände die Schallwellen.

Der Effekt der Schallreflektion wird besonders deutlich im Gebirge. Ruft man in Richtung einer weit entfernten Bergwand, so hört man ein Echo. Wenn man die Sekunden zählt, bis das Echo zurückkommt, kann man sogar die Entfernung der Wand berechnen. Bei 343 Metern pro Sekunde braucht der Schall für einen Kilometer, also 1.000 Meter, knapp drei Sekunden. Die Schallwelle muss erst zur Wand gelangen und dann wieder zurückkommen, sie macht also den Weg zweimal. Deshalb muss man die gezählten Sekunden durch sechs teilen, um die Entfernung in Kilometern zu bekommen. Eine ähnliche Rechnung kann man bei Gewittern machen: Wenn man einen Blitz sieht, kann man die Sekunden bis zum Donner zählen. Anders als beim Echo muss der Schall den Weg nur einmal zurücklegen – vom Ort des Einschlages bis zum Ohr. Deshalb kann man direkt die Schallgeschwindigkeit zur Berechnung verwenden: Teilt man die gezählten Sekunden durch drei, bekommt man die Entfernung in Kilometern. Die Zeit, die das Licht des Blitzes bis zum Auge braucht, kann man dabei vernachlässigen, denn Licht ist etwa eine Million mal schneller als der Schall.

Schall ist nicht gleich Schall. Ob wir ein Geräusch als wohlklingende Musik oder als krachigen Lärm wahrnehmen, hängt von der Beschaffenheit der Schwingungen ab. Bewegen sie sich in langsamen regelmäßigen Wellen, empfinden wir sie als tiefe Töne. Schnelle Luftvibrationen interpretieren wir als hohe Töne. Um die Geschwindigkeit einer Welle zu ermitteln, bestimmt man ihre Frequenz, also die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Gemessen wird sie in Hertz (Hz). Je größer die Hertzzahl, desto höher erscheint der Ton.

Töne, die ausschließlich aus Schallwellen mit identischen Frequenzen bestehen, werden als Sinustöne bezeichnet. Sie hören sich meist schrill an, wie man am Klingeln von alten Handys hören kann. Die Töne von Instrumenten nehmen wir als nicht so grell wahr, denn sie haben neben dem Grundton, der die Tonhöhe bestimmt, noch weitere Schallwellen in höheren Frequenzen. Diese werden Obertöne genannt. Damit sie nicht den reinen Klang verfälschen, müssen sie eine Bedingung erfüllen: Ihre Frequenz muss ein Vielfaches des Grundtones sein. Der erste Oberton ist doppelt so schnell, der zweite dreimal, der dritte viermal und so weiter. Mit jedem Oberton verändert sich die Klangfarbe. Deshalb klingt ein „a“ auf verschiedenen Instrumenten unterschiedlich, obwohl die Frequenz des Grundtones die gleiche ist.

Wenn alle Obertöne zu dem Grundton passen, spricht der Akustiker von einem "Klang". Mit dem Begriff "Geräusch" bezeichnet er es, wenn sich ohne Zusammenhang verschiedene Frequenzen vermischen. Einem Geräusch kann daher keine klare Tonhöhe, sondern nur eine Intensität und ein Frequenzspektrum zugeordnet werden.

Klänge und Geräusche entstehen fast überall, doch nicht alle können wir wahrnehmen. Ein junger, gesunder Mensch hört im Allgemeinen Frequenzen zwischen 16 und 20.000 Hertz. Das Fiepen der Fledermaus ist meist so hoch, dass wir Menschen es nicht hören können – ihre Laute liegen im Bereich von 15.000 bis 150.000 Hertz und sind damit weitgehend im Ultraschall angesiedelt. Die Tiere benutzen ihre Rufe, um sich zu orientieren und Beute über das vom Körper reflektierte Echo zu orten. Nur Menschen mit sehr gutem Gehör können manchmal die tiefsten Töne der Fledermaus hören, und zwar als ganz hohes Piepen.

Nicht nur von der Tonhöhe, auch von der Lautstärke hängt ab, was man verstehen kann, und welche Geräusche ungehört bleiben. Einmal mehr ist hier die Form der Schallwelle ausschlaggebend: Besonders große Wellenberge empfinden wir als besonders laut. Um die Höhe einer Welle zu bestimmen, messen Techniker ihre Amplitude, also den Abstand vom höchsten Punkt des Wellenberges zum ursprünglichen Wert. Schall besteht aus Druckunterschieden, deshalb wird die Amplitude in der Maßeinheit des Druckes Pascal gemessen. Das gesunde menschliche Ohr kann einen riesigen Bereich verarbeiten: Von etwa 0,00002 Pascal bei der Hörschwelle bis zu 20 Pascal bei der Schmerzschwelle entgeht ihm kaum etwas.

Im Alltag gebräuchlicher als Pascal ist eine andere Maßeinheit der Lautstärke: Dezibel (dB). Damit kann das enorme Spektrum der hörbaren Schallpegel in einer einfachen logarithmischen Skala dargestellt werden: So entsprechen Null Dezibel dem schwächsten hörbaren Ton. Flüstern liegt bei 30 Dezibel, der Stadtverkehr rauscht mit 90 Dezibel und die Düsentriebwerke eines Flugzeugs dröhnen beim Starten mit 140 Dezibel. Jede Steigerung um zehn Dezibel kommt dabei in etwa einer Verdoppelung der wahrgenommenen Lautstärke gleich.

Ob wir etwas als laut empfinden, hängt nicht nur von den Dezibel ab – auch die Frequenz ist wichtig. Hören wir die Musik des Nachbarn aus dem Haus gegenüber, bekommen wir meist nur die tiefen Basstöne des Songs mit, nicht aber die hohe Singstimme. Denn je höher ein Ton ist, desto leiser erscheint er uns.

Doch egal ob laut oder leise, angenehm oder nervtötend: Schall ist fast überall. Um die Töne und Klänge zu verstehen, sie auseinanderzuhalten und ihnen eine Bedeutung zuzumessen, müssen sie zunächst in eine für das Gehirn verständliche Sprache umwandelt werden. Das passiert, wenn die Schallwellen ihren Weg durch die Gänge, Windungen und Höhlen der Ohren finden und dort Nervenimpulse auslösen. Dann wird aus ein bisschen Physik Musik.

zum Weiterlesen:

• Möser, M.: Technische Akustik. Springer, 2009.
• Schmidt, Robert F.; Lang, Florian; Heckmann, Manfred, Physiologie des Menschen, mit Pathophysiologie, Springer, 2011.

Veröffentlichung: am 27.07.2012
Aktualisierung: am 05.12.2016