Eine Einführung in Schall, Frequenz und das akustische Spektrum.
Bevor wir uns mit Ultraschall beschäftigen, ist es wichtig, zunächst eine Einführung in das Thema Schall zu erhalten. Die meisten von uns hören jede Minute eine Vielzahl unterschiedlicher Geräusche, aber nur wenige können erklären, wie diese Geräusche zusammenwirken.
Vereinfacht gesagt ist Schall die Schwingung von Luftmolekülen (deshalb gibt es im Weltraum keinen Schall!). Wenn ein Objekt schwingt, versetzt es die umgebenden Luftmoleküle in Bewegung. Diese Moleküle stoßen gegen die benachbarten Moleküle und so weiter. Dadurch entsteht eine Schwingungswelle, die sich durch die Luft ausbreitet – und genau das nehmen wir als Schall wahr. Die Luft selbst bewegt sich nicht vollständig mit der Schallwelle. Vielmehr bewegt sich jedes Luftmolekül von einem Ruhepunkt weg, kehrt aber schließlich zu diesem zurück. Die Entstehung von Schall lässt sich in drei Phasen unterteilen:
Die Quellschwingung
Wellenausbreitung (Energieübertragung durch ein Medium, z. B. Luftmoleküle).
Biologische Detektion (Trommelfell)
Wenn wir etwas hören, nehmen unsere Ohren die Druckwellen wahr, die sich durch die Luft ausbreiten. Die Anzahl der Druckschwingungen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet und in Hertz gemessen (1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde). Diese Druckwellen gelangen in das Außenohr und versetzen das Trommelfell in Schwingung. Die vom Außenohr aufgefangenen Schallwellen werden weiter ins Innenohr geleitet, wo elektrische Signale erzeugt werden. Diese Signale werden an das Gehirn weitergeleitet, das sie in einen für uns hörbaren Ton umwandelt.
Das akustische Spektrum
Der Hörbereich des Menschen – der Frequenzbereich der Töne, die wir wahrnehmen können – liegt zwischen 20 Hz und 20 kHz (20.000 Hz). Die Frequenz ist direkt mit der Tonhöhe verknüpft, daher hätte ein Ton mit 20 Hz eine extrem tiefe Tonhöhe (z. B. einen tiefen Bass). Obwohl das andere Ende des Hörbereichs technisch gesehen bei 20 kHz liegt, können die meisten Erwachsenen Töne in dieser Nähe kaum hören. Selbst ein schriller Pfiff hat eine Frequenz von nur 10 kHz. Dezibel (dB) ist eine weitere wichtige Maßeinheit für Schall. Während Frequenz und Tonhöhe die Schwingungen pro Sekunde beschreiben, ist Dezibel eine unabhängige Messgröße, die die Intensität/Lautstärke bzw. die Amplitude der Schallwelle angibt. Wie bereits erwähnt, umfasst der Hörbereich Schallwellen, die wir hören können. Es gibt jedoch viele Geräusche in der Welt, die wir nicht hören können. Das akustische Spektrum bezeichnet den gesamten Bereich der Schallwellenfrequenzen, die sich als mechanische Schwingungen und Wellen durch ein Medium ausbreiten können. Das akustische Spektrum wird üblicherweise in vier Hauptfrequenzbänder unterteilt:
Infraschall: Frequenzen unter 20 Hz. Für den Menschen zu niedrig, um sie zu hören, aber physisch spürbar.
Zum Beispiel das Grollen eines fernen Vulkans oder Erdbebens.
Hörbarer Ton: 20 Hz bis 20 kHz. Liegt im normalen Bereich des menschlichen Hörvermögens.
Beispiele: Stimmen, Musik, Autos usw.
Ultraschall: 20 kHz bis mindestens 100 kHz. Dies liegt weit über dem Bereich des menschlichen Hörvermögens.
Beispiele: Gas-, elektrische und mechanische Probleme, Echoortung bei Tieren.
Hyperschall: 10^13 Hz (10.000.000.000.000 Hz).
Die klassische Theorie akustischer Wellen stößt hier an ihre Grenzen. Dies liegt weit außerhalb unseres Interessensbereichs.
Frequenz vs. Amplitude
Wir denken vielleicht, dass Töne außerhalb des hörbaren Bereichs keine Dezibel erzeugen, weil wir sie nicht hören. Bedenken Sie jedoch, dass die Frequenz der entscheidende Faktor dafür ist, ob wir einen Ton hören können oder nicht. Töne im gesamten akustischen Spektrum können Dezibel erzeugen. Es ist allgemein bekannt, dass laute Geräusche das Gehör schädigen können. Konzerte, Explosionen und andere Geräusche über 90 dB fallen im Allgemeinen in den Gefahrenbereich für langfristige Einwirkung. Wir haben jedoch gerade festgestellt, dass auch Töne in anderen akustischen Bereichen (wie Ultraschall) Dezibel erzeugen. Obwohl sie das Gehör nicht schädigen, können diese Töne dennoch negative, nicht hörbare Auswirkungen haben. Töne im Infraschallbereich können Angstzustände oder Übelkeit auslösen, und viele Ultraschalltöne können Kopfschmerzen, Schwindel und Druckgefühl in den Ohren verursachen. Tatsächlich kann Ultraschall mit extrem hoher Amplitude (~180 dB) schwere innere Organschäden verursachen, ohne dass Sie etwas davon hören würden. Denken Sie daran, dass die Frequenz und die jeweilige Hertz-Zahl nicht objektiv darüber entscheiden, was hörbar ist. Fledermäuse können Töne von etwa 1 kHz bis über 200 kHz hören. Ihr Hörbereich umfasst den Ultraschallbereich, unserer hingegen nicht. Menschen müssen sich Techniken wie die Echoortung vorstellen, während Fledermäuse und Delfine die zugehörigen Ultraschallfrequenzen hören können.
Herzlichen Glückwunsch – Sie haben Ihre Einführung in Schall, Frequenz und das akustische Spektrum abgeschlossen!
