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Schallausbreitung
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Allgemeines
Schall ist eine Welle, die zur Ausbreitung ein Medium wie beispielsweise Luft benötigt. In Gasen breiten sich die Schallwellen in Form von alternierenden Druckwellen als Longitudinalwelle aus. Die Geschwindigkeit der Ausbreitung wird Schallgeschwindigkeit genannt, die von der Zusammensetzung und der Temperatur abhängt und so gut wie gar nicht vom Druck des Gases.
Schall breitet sich in einem homogenen schallleitenden Medium nach allen Richtungen symmetrisch vom Erreger (also der Schallquelle) weg aus. Bewegt sich der Erreger im Medium (oder bewegt sich das Medium um den Erreger, was vom Medium aus betrachtet einer Bewegung des Erregers im Medium gleichkommt), so tritt der Dopplereffekt auf. Dieser tritt auch auf, wenn sich der Beobachter (Zuhörer) im Medium bewegt (bzw. entsprechend das Medium um den Beobachter).
Treffen mehrere Schallwellen aufeinander, so überlagern sie sich ungestört (Interferenz).
An Grenzflächen zwischen verschiedenen Medien ändern sich die Eigenschaften der Schallwelle. Insbesondere treten Absorption und Reflexion (zum Beispiel an Wänden) sowie Brechung auf. An der Grenzfläche Metall/Luft wird der Schall z.B. praktisch vollständig reflektiert.
Schallausbreitung in der Atmosphäre
Breitet sich Schall durch die Atmosphäre aus (z.B. Verkehrslärm), so wird er von den meteorologischen Bedingungen und den akustischen Eigenschaften (Impedanz) des Bodens beeinflusst.
Luftabsorption
Ein Teil der Schallenergie wird durch molekulare Reibung und andere Moleküleigenschaften auf dem Weg durch die Atmosphäre absorbiert. Der Luftabsorptionskoeffizient (meist in dB / 100 m angegeben) hängt von der Lufttemperatur und der Luftfeuchtigkeit ab. Höhere Frequenzen werden wesentlich stärker absorbiert als tiefe Frequenzen. Ein anerkanntes Berechnungsverfahren für den Luftabsorptionskoeffizienten ist in der ISO 9613-1 festgelegt.
Brechung (Refraktion)
Nimmt die Temperatur mit der Höhe ab (meist tagsüber), so wird der Schall nach oben gebrochen und es bildet sich ab einer gewissen Entfernung (bei bodennahen Schallquellen ab ca. 200 m) eine akustische Schattenzone mit vermindeter Hörbarkeit. Umgekehrt führt eine (meist nächtliche) Temperaturzunahme mit der Höhe (Inversion) zu einer Abwärtsbrechung der Schallwellen und gegebenenfalls einer Mehrfachreflexion am Boden. Die Folge ist eine gute Hörbarkeit über große Distanzen hinweg. In analoger Weise führt eine Schallausbreitung gegen den Wind (Gegenwindausbreitung) zu einer Schattenzone und vermindeter Hörbarkeit, während eine Ausbreitung mit dem Wind (Mitwindausbreitung) eine Abwärtsbrechung und entsprechend großer Hörreichweite zur Folge hat. Ursache ist in beiden Fällen die reibungsbedingte Windzunahme mit der Höhe innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht.
Die wetterbedingte Schwankung des Schallpegels in 500 bis 1000 m Entfernung von einer konstanten Schallquelle kann zwischen 20 und 30 dB betragen.
Streuung
Ein Teil der Schallenergie wird beim Durchgang durch Turbulenz in der Atmosphäre gestreut. Streuung ist ein Mechanismus, mit dem Schallenergie in Schattenzonen eindringen kann, z.B. bei Aufwärtsbrechung. Gestreut werden Schallwellen vor allem dann, wenn ihre Wellenlänge die Größenordnung der Ausdehnung der Turbulenzelemente (Wirbel) hat.
Beugung (Diffraktion)
Beugung ist ein weiterer Mechanismus, mit dem Schallenergie in Schattenzonen eindringen kann, z.B. in abgeschattete Bereiche hinter einem Gebäude bzw. einer Lärmschutzwand. Lange niederfrequente Wellen werden stärker gebeugt als kurze, hochfrequente Wellen.
Reflexion am Boden
Treffen Schallwellen auf den Boden, so werden sie reflektiert. Je nach der akustischen Eigenschaft des Bodens (schallweich = niedrige Impedanz bzw. schallhart = hohe Impedanz) wird dabei mehr bzw. weniger Schallenergie im Boden absorbiert bzw. die reflektierte Welle phasenverschoben, sodass der Boden mehr oder weniger schalldämpfend wirkt. Lockerer, poröser Boden und frisch gefallener Schnee sind schallweich und damit stark dämpfend, während festgetretener Boden, Asphalt oder Beton schallhart und somit wenig dämpfend sind. Eine hohe Bodendämpfung wird vor allem bei schallweichem Boden und flachem Schalleinfall (Quelle und Empfänger in Bodennähe) erzielt, da hierbei die reflektierte Welle um nahezu eine halbe Wellenlänge phasenverschoben wird und somit die am Empfänger eintreffende direkte Welle durch destruktive Interferenz nahezu auslöscht.
