Schallmauer

Die Schallmauer bezeichnet die Geschwindigkeit, mit der sich Schall in einem Medium ausbreitet: Hier sind ein paar spannende Fakten über die Schallmauer:

• Der erste Mensch, der die Schallmauer im Horizontalflug durchbrach, war Chuck Yeager am 14. Oktober 1947 mit der Bell X-1
• Die Schallgeschwindigkeit in der Luft (bei 20 °C) beträgt ca. 1.235 km/h (343 m/s)
• Diese Geschwindigkeit steigt mit steigender Temperatur. Luftdruck und Luftfeuchtigkeit spielen im Alltag eine geringe Rolle.
• In Gasen und Flüssigkeiten treten Longitudinalwellen auf: Ausbreitungsrichtung der Schallwelle und die Bewegung der Teilchen um ihre Ruhelage sind gleich.
• In Festkörpern kommen mitunter auch Transversalwellen, Biegewellen und Torsionswellen vor. Die Wellengeschwindigkeit variiert mitunter zwischen diesen Wellenarten.
• Beim Xylophonspiel treffen Sie auf viele dieser Wellenarten. Hier sind nicht nur Longitudinalwellen schneller als Biegewellen. Die Schallgeschwindigkeit von Biegewellen ist zudem frequenzabhängig. Hohe Frequenzen sind schneller, was wir in einem YouTube-Video visualisiert haben.
• Der Begriff „Schallmauer“ beschreibt die aerodynamischen Herausforderungen, die beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit auftreten.
• Der Luftwiderstand nimmt drastisch zu, was wohl zu der Metapher der Mauer geführt hat.

Was passiert beim Durchbrechen der Schallmauer

Beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit kommt es zur Bildung von Schockwellen, die abrupte Druckänderungen in der Luft verursachen. Da die Luftmoleküle vor dem Flugzeug nicht schnell genug ausweichen können, entsteht eine zunehmende Verdichtung. Diese Verdichtungswellen stauen sich vor dem Flugzeug auf und führen zu starkem Luftwiderstand. Sobald das Flugzeug die Schallmauer durchbricht und schneller als der Schall fliegt, können sich die Schockwellen nicht mehr nach vorne ausbreiten. Stattdessen formieren sie sich zu einem kegelförmigen Bereich hinter dem Flugzeug. Dieser Kegel wird als „Machsche Kegel“ bezeichnet und ist vergleichbar mit Bugwellen bei Schiffen. Dies ist auch der Moment, in dem ein deutlich hörbarer Überschallknall entsteht.

Das Flugzeug durchbricht die Schallmauer und es entsteht es kegelförmige Schockwelle. Bild: Pixabay

Der Überschallknall — ein akustisches Phänomen

Ein charakteristisches Phänomen beim Durchbrechen der Schallmauer ist der Überschallknall. Er entsteht, wenn sich die durch den Verdichtungsstoß erzeugten Druckwellen bündeln und als lauter Knall hörbar werden. Dieser Knall kann noch in großer Entfernung wahrgenommen werden. Ein Flugzeug im Überschallflug erzeugt kontinuierlich eine kegelförmige Schockwelle, die als lauter Knall am Boden wahrgenommen wird, wenn die Stoßwelle auf einen Beobachter trifft. Es handelt sich nicht um ein einzelnes Geräusch beim Durchbrechen der Schallmauer, sondern ein kontinuierliches Phänomen während des gesamten Überschallflugs. Der Knall ist so laut, dass Überschallflüge über bewohntem Gebiet meist verboten oder eingeschränkt sind.

Wenn Sie sich auch in Zukunft intensiver mit dem Thema Schall beschäftigen möchten, empfehlen wir Ihnen ausdrücklich die beiden Artikel Schall unter Wasser und wie man den Schall orten kann. Diese bieten Ihnen wertvolle Einblicke und weiterführende Informationen zu diesem faszinierenden Bereich.

Der Beitrag Schallmauer durchbrechen — das passiert physikalisch erschien zuerst auf SystMus.

Schallabsorptionsgrad – Was sagt er aus?

Der Schallabsorptionsgrad sagt aus, wie viel der eintreffenden Schallleistung absorbiert wird, also in andere Energieformen umgewandelt. Einfacher ausgedrückt könnte man sagen, dass man absorbierten Schall nicht mehr hören kann und er daher geschluckt worden ist.

Dabei ist zu unterstreichen, dass es sich um eine Energiegröße und keine Feldgröße hält. Der Schallabsorptionsgrad ergibt sich nach Fuchs (2017) aus der Summe aller Schallleistungen, die den Schall fortleiten oder in andere Energieformen umwandeln, geteilt durch die gesamte Schallleistung. Alternativ berechnet man ihn auch anhand der Differenz aus gesamter Leistung und reflektierter Leistung, geteilt durch die gesamte Leistung:

\( \Large \alpha = \frac{P_a + P_t + P_f}{P_i} = \frac{P_i – P_r}{P_i} \)

Schallabsorption – Wie wird sie gemessen?

Es gibt zwei typische Methoden für die Messung des Schallabsorptionsgrades: Die Messung einer Probe im Impedanzrohr nach DIN EN ISO 10534 und die Messung im Hallraum nach DIN EN ISO 354. Ein Impedanzrohr ist ein Rohr, aus dem möglichst wenig Schall austreten kann. Im Foto können Sie es sehen. Die Messung im Impedanzrohr kann auf zwei Arten erfolgen (Brunnader; 2002):

• ISO 10534-1 Stehwellenverhältnis-Methode

  • Einsetzen der Probe im Impedanzrohr
  • Ein Lautsprecher gibt ein Sinussignal in das Rohr
  • Eine Mikrofonsonde wird durch das Rohr geführt
  • Ermitteln des Reflexionsgrades anhand der Verhältnisse der absoluten Schalldruckminima und Maxima
  • Der Reflexionsgrad wird in den Absorptionsgrad umgerechnet
  • Die Messung muss für alle Frequenzen wiederholt werden

Messung des Schallabsorptionsgrads einer Probe im Impedanzrohr im Freifeldraum. Foto: Tim Ziemer

• ISO 10534-2: Übertragungsfunktions-Methode

  • Im Impedanzrohr wird eine Probe eingesetzt
  • Ein Lautsprecher erzeugt breitbandiges weißes Rauschen im Rohr
  • Zwei feste Mikrofone nehmen die Signale im Rohr auf
  • Berechnung der komplexen Übertragungsfunktion aus den aufgenommenen Signalen
  • Berechnung der Reflexions- und Absorptionsgrade aus der Übertragungsfunktion
  • In einer Messung können für alle Frequenzen im Messbereich der Absorptionsgrad festgestellt werden

Hallraum — Schallabsorptionsgrad ermitteln

Die Messung im Hallraum ist aus mathematischer Sicht noch simpler gehalten. Anders als in einem schalltoten Raum ist hier der Raum besonders reflektierend. Die Messingenieur’innen messen in dem Hallraum mit einem Volumen zwischen 150 m³ und 500 m³ und einer hohen Diffusität, Nachhallzeiten. Zuerst mehrere in einem leeren Raum, dann im Raum mit zu untersuchender Probe. Durch den anschließenden Unterschied in der Nachhallzeit kann nach der empirischen Nachhallzeit Formel von W.C. Sabine auf die äquivalente Absorptionsfläche umgerechnet werden. Anschließend teilt man noch durch die tatsächliche Fläche der Probe und man erhält den Absorptionsgrad der Probe. Sabine’sche Formel und äquivalente Absorptionsfläche erklären wir in einem eigenen Artikel.

Der nach Norm messbare Frequenzbereich für die Hallraum-Methode liegt zwischen 100 Hz und 5000 Hz, wobei die Messdaten im tieferen Frequenzbereich, je nach Hallraum, bereits ungenau sein können (Zha, Fuchs, Späh; 1996). Die messbaren Frequenzen im Impedanzrohr hängen stark von der Geometrie des Rohres ab. Nach Norm sind hier bestimmte Vorgaben gegeben.

Tabelle – Welche Materialien absorbieren wie stark?

Nach der Theorie folgt nun die Frage: Was bedeutet das für die Praxis? Hier eine Auswahl an typischen Bau- und Haushaltsgegenständen und Barrieren mit ihrem Absorptionsgrad nach (Willems, Schild, Stricker; 2018). Vollständige Absorption ist hier mit einer 1 gekennzeichnet und keine Absorption mit einer 0:

Absorptionsgrad-Tabelle für typische Baumaterialien nach (Willems, Schild, Stricker; 2018)

Neben den alltäglichen Gegenständen und Barrieren, die Schall absorbieren, gibt es auch spezielle technische Absorber. Bei Produkten, die darauf ausgelegt sind, Schall gut zu absorbieren, bewerben die Hersteller den Absorptionsgrad geradezu. Hier eine Auswahl nach (Post, Schmidt; 2019):

Absorptionsgrad-Tabelle für technische Absorber nach (Post, Schmidt; 2019)

Mithilfe unserer Anleitung können Sie Absorber selber bauen. Das ist günstiger und in vielen Fällen sogar effektiver als industrielle Absorber. Falls Sie noch gar nicht wissen, ob Sie Ihren Raum akustisch optimieren wollen, dann lesen Sie sich auch unseren Artikel zum Thema Nachhallzeit berechnen durch.

Quellen zum Schallabsorptionsgrad

• Fuchs, H. V. (2017). Raum-Akustik und Lärm-Minderung (4. Auflage). Vieweg: Springer .
• Brunnader, R. (2002). Aufbau und Programmierung der 2p Messmethode im Impedanzrohr für die Messung akustischer Materialparameter. Technische Universität Graz: Diplomarbeit
• Zha, X., Fuchs, H. V. & Späh, M. (1996). Messung des effektiven Absorptionsgrades in kleinen Räumen. Rundfunktechnische Mitteilungen Jahrgang 40, Heft 3.
• Willems, W. M., Schild, K. & Stricker, D. (2018) Formeln und Tabellen Bauphysik: Wärmeschutz – Feuchteschutz – Klima – Akustik – Brandschutz. Vieweg: Springer
• Post, M., & Schmidt, P. (2019). Praktische Bauphysik. Springer.

Der Beitrag Schallabsorptionsgrad – Wann wird etwas absorbiert? erschien zuerst auf SystMus.