Schalldruck

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Schallgrößen
Schalldruck p Schalldruckpegel L_p Schallschnelle v Schallauslenkung ξ Schallbeschleunigung a Schallintensität I Schallleistung P_ak Schallenergiedichte E Schallenergie Schallfluss q Schallimpedanz Z Schallgeschwindigkeit c

Der Schalldruck, Formelzeichen p (engl. "pressure" - Druck), ist in der Tontechnik und in der Akustik die wichtigste Schallfeldgröße.

Inhaltsverzeichnis

1 Definition
2 Abstandsabhängigkeit
3 Zusammenhang mit anderen akustischen Größen
4 Tabelle: Schalldruck und Schalldruckpegel diverser Schallquellen
5 Literatur
6 Weblinks

Definition

Als Schalldruck werden die Druckschwankungen eines kompressiblen Schallübertragungsmediums (üblicherweise Luft), die bei der Ausbreitung von Schall auftreten, bezeichnet.

Der Schalldruck p ist der Wechseldruck (eine Wechselgröße), der dem statischen Druck p₀ (Luftdruck) des umgebenden Mediums überlagert ist. Für den gesamten Druck p_ges gilt somit:

$p_{ges} = p_0 + p \,$

Der Schalldruck (Schallwechseldruck) ist in der Regel um viele Größenordnungen kleiner als der statische Luftdruck. Da ein Druck mit keiner Richtungsangabe verknüpft werden kann, handelt es sich um eine skalare Größe. Der Schalldruck in Abhängigkeit von den Koordinaten im dreidimensionalen Raum ist aus mathematischer Sicht somit ein Skalarfeld.

Die SI-Einheit des Schalldrucks, ebenso wie des Drucks, ist das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa.

Der Schalldruck wird oft als Pegelgröße (siehe Schalldruckpegel) in dB angegeben. Weiterhin ist die Angabe als Effektivwert üblich.

Handelt es sich beim Schall um einen Ton, also eine harmonische Schwingung (oft auch als "Sinus-Schwingung" bezeichnet) mit nur einer Frequenz $f$ , so gilt für die Zeitabhängigkeit des Schalldrucks:

$p(t) = \hat{p} \sin (2\pi ft) = \hat{p} \sin (\omega t)$

wobei $\hat{p}$ die Schalldruckamplitude und ω die Kreisfrequenz $\omega = 2 \cdot \pi \cdot f \,$ ist.

Abstandsabhängigkeit

Der Effektivwert des Schalldrucks $\tilde{p}$ verhält sich im Freifeld umgekehrt proportional zur Entfernung r von einer (punktförmigen) Schallquelle (1/r-Gesetz, Abstandsgesetz):

$\tilde{p} \sim \frac{1}{r}$

$\frac{\tilde{p}_1} {\tilde{p}_2} = \frac{r_2}{r_1}$

$\tilde{p}_1 = \tilde{p}_{2} \frac{r_2}{r_1}$

(Anmerkung: Die quadratischen Schallenergiegrößen, wie z. B. die Schallintensität nehmen bei punktförmigen Schallquellen mit 1/r² über der Entfernung ab.)

Wie man hier erkennen kann, ist zur Beurteilung der Stärke einer Schallquelle neben der Angabe des gemessenen Schalldrucks unbedingt die Angabe der Lage des Messpunkts als Abstand r von der Schallquelle notwendig.

In halliger Umgebung gilt das 1/r-Gesetz nur eingeschränkt:

Im Direktfeld der Schallquelle, also im Freien und wo der Direktschall D den Raumschall R überwiegt, gilt das 1/r-Gesetz.
Außerhalb des unmittelbaren Direktfelds, wo die Reflexionen einen Einfluss auf den Gesamtschalldruck bekommen, gilt das 1/r-Gesetz nur eingeschränkt.
Außerhalb des Hallradius r_H, das ist die Entfernung von der Schallquelle, bei der der Direktschall D genau so stark ist wie der Raumschall R, bleibt der Schalldruck mit zunehmendem Abstand von der Schallquelle im Wesentlichen konstant, da er hier vor allem von den Reflexionen der Wände bestimmt wird.

Zusammenhang mit anderen akustischen Größen

In einer ebenen Welle ist der Schalldruck p mit den akustischen Größen Schallkennimpedanz Z₀, Schallleistung P_ak, Schallschnelle v und Schallintensität I folgendermaßen verknüpft:

$p = Z_0 \cdot v = \frac{I}{v} = \sqrt{I \cdot Z} = \frac{P_{ak}}{v \cdot A} = \sqrt{\frac{P_{ak} \cdot Z}{A}} = {\xi \cdot Z \cdot \omega} = \frac{a \cdot Z}{\omega} = c \cdot \sqrt{\rho \cdot E}$ .

Hierbei ist:

Symbol	Einheiten	Bedeutung
p	Pa	Schalldruck
f	Hz	Frequenz
ξ	m	Schallauslenkung
c	m/s	Schallgeschwindigkeit
v	m/s	Schallschnelle
$ω$	1/s	Kreisfrequenz
ρ	kg/m³	Luftdichte (Dichte des Mediums)
Z = c • ρ	N•s/m³	Schallkennimpedanz, Akustische Feldimpedanz
a	m/s²	Schallbeschleunigung
I	W/m²	Schallintensität
E	W•s/m³	Schallenergiedichte
P_ak	W	Schallleistung
A	m²	Durchschallte Fläche

Tabelle: Schalldruck und Schalldruckpegel diverser Schallquellen

Schalldruck in Luft (zum Vergleich: statischer Luftdruck auf Meerehöhe: 101.325 Pa):

Situation und Schallquelle	Schalldruck p Pascal	Schalldruck- pegel L_p dB re 20 µPa
M1 Garand Gewehr aus 1 m Entf.	5.000 Pa	168 dB
Düsenflugzeug in 30 Meter Entfernung	630 Pa	150 dB
Gewehr aus 1 m Entfernung	200 Pa	140 dB
Schmerzschwelle	100 Pa	134 dB
Gehörschäden bei kurzfristiger Einwirkung	20 Pa	ab 120 dB
Düsenflugzeug 100 m entfernt	6,3 - 200 Pa	110 - 140 dB
Presslufthammer, 1 m entfernt / Diskothek	2 Pa	100 dB
Gehörschäden bei langfristiger Einwirkung >8 Stunden täglich	0,63 Pa	ab 90 dB
Hauptverkehrsstraße, 10 m entfernt	0,2 - 0,63 Pa	80 - 90 dB
Pkw, 10 m entfernt	0,02 - 0,2 Pa	60 - 80 dB
Fernseher in Zimmerlautstärke 1 m entfernt	0,02 Pa	ca. 60 dB
Normale Unterhaltung, 1 m entfernt	2 • 10^-3 - 6,3 • 10^-3 Pa	40 - 50 dB
Sehr ruhiges Zimmer	2 • 10^-4 - 6,3 • 10^-4 Pa	20 - 30 dB
Blätterrauschen, ruhiges Atmen	6,3 • 10^-5 Pa	10 dB
Hörschwelle bei 1 kHz	2 • 10^-5 Pa	0 dB

Schalldruck in Wasser:

Situation und Schallquelle	Schalldruck p Pascal	Schalldruck- pegel L_p dB re 1 µPa
militärisches Sonar (1 m Abstand)	1.000.000 Pa	240 dB
Hörschwelle eines Tauchers bei 1 kHz	2,2 • 10^-3 Pa	67 dB

Literatur

Breuer, Hans: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. München: dtv-Verlag, 1996, ISBN 3-423-03226-X
Kuttruff, Heinrich: Akustik. Stuttgart: Hirzel, 2004, ISBN 3-777-61244-8
Müller, Gerhard; Möser, Michael: Taschenbuch der Technischen Akustik. Berlin: Springer, 3., überarb. Aufl. 2003, ISBN 3-540-41242-5
Veit, Ivar: Technische Akustik. Würzburg: Vogel-Verlag, 2005, ISBN 3-834-33013-2

Weblinks

Von „http://de.wikipedia.org/wiki/Schalldruck“

Kategorie: Schall

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