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Wenn ein Lautsprecher brummt, siehst du die Luft nicht schwingen, aber dein Ohr merkt die Welle sofort. Akustische Wellen erklären genau diesen unsichtbaren Transport: Eine Störung läuft durch ein Medium, ohne dass die Teilchen dauerhaft mitwandern. Danach kannst du Schallwellen zeichnen, berechnen und von anderen Wellenarten unterscheiden.
- Ich kann akustische Wellen als mechanische Wellen erklären.
- Ich kann Longitudinalwellen und Transversalwellen unterscheiden.
- Ich kann Verdichtung, Verdünnung, Frequenz und Wellenlänge zuordnen.
- Ich kann mit $v=\lambda \cdot f$ und $t=\frac{s}{v}$ rechnen.
- Ich kann Reflexion, Beugung und Interferenz bei Schall einordnen.
Vom Schwingen zur Welle
Eine Schallquelle bewegt Teilchen in ihrer Umgebung aus der Ruhelage. Diese Teilchen stoßen Nachbarteilchen an. So wandert die Störung weiter, obwohl jedes einzelne Teilchen nur um seine Ruhelage schwingt.
Akustische Welle
Eine akustische Welle ist eine mechanische Welle, die Schallenergie durch ein Medium transportiert. In Gasen und Flüssigkeiten breitet sie sich als Folge von Druck- und Dichteänderungen aus. Sie braucht Teilchen, die die Störung weitergeben.
In Luft entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen. Bei einer Verdichtung sind Luftteilchen etwas enger beieinander, der Druck ist dort etwas höher. Bei einer Verdünnung sind sie etwas weiter auseinander, der Druck ist dort etwas niedriger.
Eine Stimmgabel schwingt in Luft.
- Die Zinke bewegt sich nach außen und drückt Luftteilchen zusammen.
- Eine Verdichtung entsteht.
- Die Luftteilchen stoßen ihre Nachbarn an.
- Die Verdichtung wandert weiter.
- Danach folgt eine Verdünnung, weil die Zinke zurückschwingt.
Das Muster aus Verdichtung und Verdünnung läuft durch den Raum.
Bei einer Schallwelle wandert die Störung. Die einzelnen Luftteilchen pendeln nur hin und her.
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Longitudinal oder transversal?
Wellen unterscheiden sich danach, in welche Richtung die Teilchen schwingen. Diese Richtung ist nicht immer dieselbe wie die Ausbreitungsrichtung.
Longitudinalwelle
Bei einer Longitudinalwelle schwingen die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung. Schall in Luft, Wasser und idealen Gasen ist eine Longitudinalwelle. Die Welle zeigt sich dort als Verdichtungen und Verdünnungen.
Transversalwelle
Bei einer Transversalwelle schwingen die Teilchen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Solche Querwellen kennst du zum Beispiel von einer Seilwelle. In Festkörpern können auch Schallanteile als Transversalwellen auftreten.
In Gasen und Flüssigkeiten können die Teilchen leicht gegeneinander verschoben werden. Deshalb gibt es dort für normalen Schall praktisch nur Longitudinalwellen. In Festkörpern sind die Teilchen stärker gekoppelt; dadurch können sich dort sowohl longitudinale als auch transversale Schallwellen ausbreiten.
Du hältst eine lange Feder waagerecht.
Wenn du die Feder in Längsrichtung zusammendrückst und loslässt, laufen Verdichtungen entlang der Feder. Das ist ein Modell für eine Longitudinalwelle.
Wenn du ein Seil seitlich nach oben und unten bewegst, läuft eine seitliche Auslenkung weiter. Das ist eine Transversalwelle.
Bei Erdbeben ist dieser Unterschied wichtig: P-Wellen sind longitudinal und meist schneller. S-Wellen sind transversal und laufen nicht durch Flüssigkeiten. Für Schulaufgaben zu Schall in Luft reicht aber meistens: Schall in Luft ist longitudinal.
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Größen einer Schallwelle
Eine akustische Welle kannst du mit denselben Grundgrößen beschreiben wie andere Wellen: Frequenz, Periodendauer, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Wellengroessen
Die Frequenz \(f\) gibt Schwingungen pro Sekunde an und wird in Hertz gemessen. Die Wellenlänge \(\lambda\) ist der Abstand zweier gleicher Wellenstellen, zum Beispiel zweier Verdichtungen. Die Schallgeschwindigkeit \(v\) gibt an, wie schnell sich die Welle ausbreitet. Die Periodendauer \(T\) ist die Zeit für eine Schwingung.
Für eine Schallwelle gilt:
Bei Luft um \(20\,^\circ\text{C}\) setzt man oft \(v\approx 343\,\frac{\text{m}}{\text{s}}\) ein. Die Einheit passt: Meter pro Schwingung mal Schwingungen pro Sekunde ergibt Meter pro Sekunde.
Ein Lautsprecher sendet einen Ton mit \(f=1000\,\text{Hz}\) aus. Wie groß ist die Wellenlänge in Luft?
Umstellen:
Einsetzen:
Die Wellenlänge beträgt also \(34{,}3\,\text{cm}\).
Bei einem Gewitter hörst du den Donner nach dem Blitz erst nach einer Verzögerung. Wie lange braucht Schall für \(1{,}7\,\text{km}\)?
Zuerst umrechnen:
Dann:
Der Schall braucht also ungefähr \(5{,}0\,\text{s}\).
Prüfe vor dem Rechnen die Einheiten: Kilometer in Meter, Hertz als \(1/\text{s}\) und Temperatur nur dann, wenn die Schallgeschwindigkeit davon abhängen soll.
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Was Schallwellen an Hindernissen tun
Schallwellen verhalten sich wie Wellen: Sie können reflektiert, gebeugt, gebrochen, absorbiert und überlagert werden. Damit erklärst du viele Alltagserfahrungen.
Reflexion und Beugung
Reflexion bedeutet: Eine Schallwelle wird an einer Fläche zurückgeworfen. Beugung bedeutet: Eine Welle breitet sich an Kanten oder Öffnungen auch in den Schattenbereich aus. Bei Schall ist Beugung im Alltag gut wahrnehmbar, weil Schallwellen oft relativ große Wellenlängen haben.
Interferenz
Interferenz ist die Überlagerung von Wellen. Treffen zwei Schallwellen zusammen, können sie sich verstärken oder abschwächen. Das Ergebnis hängt davon ab, ob Verdichtungen auf Verdichtungen oder auf Verdünnungen treffen.
Zwei Lautsprecher senden denselben Ton. An manchen Orten klingt es lauter, an anderen leiser.
Wenn zwei Verdichtungen gleichzeitig ankommen, verstärkt sich der Schalldruck: Es wird lauter. Wenn eine Verdichtung und eine Verdünnung gleichzeitig ankommen, schwächen sie sich teilweise ab: Es wird leiser.
Das ist keine "kaputte" Lautstärke, sondern Interferenz.
Ein häufiger Denkfehler: "Wellen stoßen zusammen und verschwinden danach." Tatsächlich überlagern sie sich während des Treffens. Danach laufen sie weiter, als wären sie durchgelaufen.
Prüfungsmodus
In Aufgaben musst du oft entscheiden, welche Vorstellung gerade passt: Teilchenmodell, Wellengleichung oder Welleneigenschaft. Lies deshalb zuerst, ob nach einer Ursache, einer Rechnung oder einer Beobachtung gefragt wird.
Aufgabe: "Warum hört man jemanden hinter einer Hausecke?"
Nicht rechnen. Hier wird eine Erklärung gesucht.
Schall wird an der Hausecke gebeugt und breitet sich dadurch teilweise in den Bereich hinter der Ecke aus. Zusätzlich können Reflexionen an Wänden helfen. Die Antwort "Schall ist schnell" passt hier nicht, weil Geschwindigkeit die Ausbreitung hinter der Ecke nicht erklärt.
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Alles auf einen Blick
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Abschluss-Check
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Zusammenfassung
Akustische Wellen sind mechanische Schallwellen. In Luft laufen sie als Longitudinalwellen aus Verdichtungen und Verdünnungen. Mit \(v=\lambda \cdot f\) verbindest du Schallgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz. Reflexion, Beugung und Interferenz zeigen, dass Schall wirklich Welleneigenschaften besitzt und nicht einfach ein Luftstrom ist.