Schall senden und empfangen

Sender und Empfänger

Wir sind von Tönen und Klängen, aber auch von unnötigem Lärm umgeben. Töne, Klänge, Geräusche, Lärm, Musik – all das ist Schall. Schall hat eine Schallquelle, zum Beispiel:

Die Gitarre, der Fernsehapparat, das Flugzeug, die Alarmsirene, das Meeresrauschen oder auch du selbst, wenn du sprichst – es gibt viele verschiedene Schallquellen. Sie alle senden Schall aus. Sie sind also Schallsender. Um etwas hören zu können, muss es einen Schallsender und einen Schallempfänger geben.

Genau wie bei der Ausbreitung von Licht kann auch die Ausbreitung von Schall mit Sender-Empfänger-Modell erklärt werden: Vom Schallsender breitet sich der Schall in alle Richtungen kugelförmig aus. Unser Ohr dient als Empfänger.

Wie erzeugt der Schallsender den Schall?

Wie kann ein Plastiklineal zu einem Schallsender werden? Probiere es aus! Wenn du den Teil des Lineals, der über die Tischkante ragt, in Schwingung versetzt, entstehen Töne, die von den Ohren wahrgenommen werden können.

Um einen Ton zu hören, muss etwas schwingen und es müssen Materieteilchen zwischen Sender und Empfänger vorhanden sein, damit die Schwingung übertragen werden kann und man den Ton, den Klang, das Geräusch hört.

Die einzelnen Materieteilchen bewegen sich dabei nicht durch den Raum – die Schwingung ist die „Information“, die übertragen wird, wie bei einer Welle im Stadium oder wenn eine Reihe Dominosteine umfällt.

Schall braucht Materie

Das Licht der Sonne braucht ca. 8 Minuten, bis es bei uns auf der Erde ankommt. Was ist eigentlich mit dem Schall von der Sonne? Ist die Sonne in ihrer Aktivität so leise? Was ist mit dem Schall der Erde? Hören Astronaut*innen in der Raumstation das Brummen vieler Großstädte, wenn sie gerade über die USA fliegen?

Wahrscheinlich weißt du schon, dass Schall es nicht durch den Weltraum schafft. Schall braucht Materie zum Ausbreiten und das ist genau, was im Vakuum des Weltraums fehlt.

Schallausbreitung

Du kannst dir also merken:

In dieser Simulation kannst du ausprobieren was passiert, wenn die Luft bei der Schallquelle dünner wird.

Tonerzeugung und Hören beim Menschen

Unsere Stimme

Damit Schall entsteht, muss etwas schwingen. Unsere Stimme wird vor allem durch die Stimmlippen erzeugt, die sich im Kehlkopf, am oberen Ende der Luftröhre, befinden. Zwischen den beiden Stimmlippen gibt es einen Spalt (Stimmritze). Die Stimmbänder sind elastische Bänder am Rand der Stimmlippen. Wenn wir nun aus der Lunge durch die Luftröhre und die Stimmritze Luft nach außen pressen, kommen die Stimmlippen in Schwingung und so können wir sprechen und singen.

Die verschiedenen Tonhöhen entstehen durch die unterschiedliche Spannung der Stimmlippen, wozu eigene Muskeln, die Stimmmuskeln vorhanden sind.

Unser Hörsinn

Auch unser Hörsinn ist komplex und effizient. Wir können ungefähr 400 000 verschiedene Töne wahrnehmen und dabei auch noch ziemlich genau feststellen, aus welcher Richtung sie kommen – und das sogar, wenn wir schlafen.

Beim Hören wird also der Schall zuerst in mechanische Schwingung, dann in Flüssigkeitswellen und schließlich in elektrische Signale umgewandelt. Eine ähnliche Aufgabe erfüllen auch Mikrophone oder Lautsprecher. Dinge, die Schall in andere Energieformen umwandeln können, werden Schallwandler genannt.

Musik und Resonanzkörper

Wie kommt aber der Ton vom Musikinstrument in unser Ohr, sodass wir ihn hören können?

Resonanzkörper helfen bei der Übertragung von Schallwellen an ein Medium (an Materie wie Luft oder Wasser), das den Schall an unser Trommelfell weiterleitet.

Sehen mit den Ohren?

Obwohl Fledermäuse fast nur nachts unterwegs sind und nicht besonders gut sehen, können sie sehr schnell fliegen und trotzdem Hindernissen ausweichen und winzige Insekten fangen.

Um das zu schaffen, senden sie sehr hohe Töne aus, die für Menschen nicht hörbar sind (Ultraschall). Treffen diese Schallwellen auf einen Gegenstand, zum Beispiel eine Wand, Bäume oder ein Insekt, werden sie zurückgeworfen. Dieses Echo hört die Fledermaus mit ihren Ohren.

Aus der Zeit zwischen Ruf und Echo kann sie sehr genau berechnen, wie weit ein Objekt entfernt ist. Kleine Unterschiede im Echo verraten ihr außerdem, wie groß ein Objekt ist, wo es sich befindet, ob und wie schnell es sich bewegt. Das funktioniert, weil Fledermäuse eine extrem kurze Reaktionszeit besitzen, die zwischen 50 und 100 Millisekunden liegt (und weil Schall wesentlich langsamer ist als Licht).

Fledermäuse erzeugen ihre Ultraschallrufe im Kehlkopf, ähnlich wie wir Menschen sprechen. Die Töne können so laut sein wie ein Presslufthammer, aber sie liegen meist außerhalb des Bereiches, den wir hören können.

Neben der Echoortung nutzen Fledermäuse Schall auch zur sozialen Kommunikation, also um miteinander zu „sprechen“. Es gibt unterschiedliche Rufe für verschiedene Situationen:

• Begrüßungsrufe zwischen Mutter und Jungtier
• Rufe zwischen Tieren, die gemeinsam jagen,
• Warn- und Streitrufe, etwa wenn es um einen guten Jagdplatz geht,
• Rufe von Männchen, die Weibchen anlocken möchten.
• Singen: Einige Fledermausarten können auch singen, ähnlich wie Vögel, um ein Revier zu verteidigen oder Weibchen während der Paarungszeit anzulocken.

Ein bekanntes Beispiel ist der Große Abendsegler. Die Männchen singen im Spätsommer lange, komplexe Gesänge, oft sogar im Flug.

Hast du schon einmal Fledermäuse rufen gehört?

Der größte Teil der Fledermauslaute liegt im Ultraschallbereich und ist für Menschen auf keinen Fall hörbar. Diese Laute werden vor allem für die Echoortung genutzt und können extrem laut sein – bis zu 110-120 Dezibel, vergleichbar mit einem startenden Düsenjet. Da es Ultraschall ist, bemerken wir davon nichts.

Für Menschen hörbar sind nur tieffrequente Sozialrufe, zum Beispiel Streit- oder Alarmrufe (oft als Zetern oder Trillern wahrnehmbar), manche Gesänge, die für unsere Ohren wie ein feines Zirpen klingen, und Teile der Echoortung von Fledermäusen mit sehr, sehr tiefer Stimme (z.B.: der große Abendsegler, der besonders früh, oft schon kurz nach oder sogar kurz vor Sonnenuntergang, ausfliegt. Aufgrund der frühen Flugzeit und der großen Flughöhe werden sie oft mit Mauerseglern verwechselt.) Der tiefere Teil der Echoortung kann dabei bis auf 16 kHz abfallen - das ist für manche Menschen noch leise hörbar.

Nicht nur Fledermäuse nutzen Schall zur Orientierung, auch manche Delfine, Wale, Insekten und Vögel orientieren sich mit Echoortung.

Auch wir können Töne im Wasser hören. Allerdings ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Tönen in den einzelnen Medien unterschiedlich. Schall breitet sich in Luft mit 340 m/s aus. Im Wasser kann sich Schall ungefähr 4-mal so schnell ausbreiten. Im festen Stahl sogar 17-mal so schnell.

Entfernung eines Gewitters bestimmen

Die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in Luft nützt man aus, um die Entfernung eines Blitzes festzustellen. Da sich Licht mit der sehr großen Geschwindigkeit von fast 300 000 km/s ausbreitet, geht man so vor: Sieht man einen Blitz, dann beginnt man die Sekunden zu zählen (21, 22, 23, ...) bis man den Donner hört. Dividiert man die Sekunden zwischen Sehen des Blitzes und Hören des Donners durch „3”, dann weiß man wie viele Kilometer entfernt, es geblitzt hat.