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Akustik

Wissenschaft, die sich mit mechanischen Wellen beschäftigt

Die Akustik (von griechisch ἀκούειν (ausgesprochen: „akuein“) ‚hören‘ bzw. akoustikós, ‚das Gehör betreffend‘) ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Im Wissenschaftsgebiet sind eine Vielzahl damit zusammenhängender Gesichtspunkte enthalten, so die Entstehung und Erzeugung, die Ausbreitung, die Beeinflussung und die Analyse von Schall, seine Wahrnehmung durch das Gehör und die Wirkung auf Menschen und Tiere. Akustik ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das auf Erkenntnissen aus zahlreichen Fachgebieten aufbaut, unter anderem der Physik, der Psychologie, der Nachrichtentechnik und der Materialwissenschaft. Akustik wird auch (unscharf) in drei Teilgebiete unterteilt:[1]

Zu den wichtigsten Anwendungen der Akustik gehören die Erforschung und Minderung von Lärm, das Bemühen, einen Wohlklang hervorzurufen oder eine akustische Information, etwa einen Ton, zu übertragen. Außerdem ist der Einsatz von Schall zur Diagnose oder zu technischen Zwecken eine wichtige Anwendung der Akustik.

Geschichte

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Antike und Mittelalter

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Helmholtz-Resonator aus Messing von ca. 1900

Als eine erste systematische Beschäftigung mit der Akustik gilt die Einführung von Tonsystemen und Stimmungen in der Musik im 3. Jahrtausend v. Chr. in China. Aus der abendländischen Antike ist eine wissenschaftliche Beschäftigung mit der Akustik unter anderem von Pythagoras von Samos (ca. 570–510 v. Chr.) überliefert, der den Zusammenhang von Saitenlänge und Tonhöhe beim Monochord mathematisch analysierte, manche ihm zugeschriebene Erkenntnisse, wie etwa Pythagoras in der Schmiede, sind allerdings eher als Legende einzustufen.

Im 8. Kapitel seines Werkes De Anima (Von der Seele) beschrieb Aristoteles um 350 v. Chr. den physikalischen Wellencharakter des Schalls als "räumliche Bewegung", "Erschütterung" und durch periodischen Druck erzeugtes "Ausdehnen und Zusammenziehen" der Luft, ebenso wie die Abhängigkeit des Schalls von einem Medium, in dem er sich ausbreiten kann, wie etwa Luft oder Wasser.[2][3] Im um c. 290 v. Chr. entstandenen, früher Aristoteles und heute allgemein Straton von Lampsakos zugeschriebenen, allein in Auszügen im Kommentar zur Harmonielehre des Ptolemaios von Porphyrios überlieferten Werk De audibilibus (Von hörbaren Dingen) findet sich eine Abhandlung über die Abhängigkeit der Tonhöhe von der Schwingungsfrequenz der Schallwellen in der Luft.[4]

Chrysippos von Soli (281–208 v. Chr.) beschrieb den Wellencharakter von Schall durch einen Vergleich mit Wellen auf der Wasseroberfläche. Der römische Architekt Vitruv (ca. 80–10 v. Chr.) analysierte die Schallausbreitung in Amphitheatern und vermutete die Ausbreitung von Schall als Kugelwelle. Er beschrieb ebenfalls die Wirkungsweise von Helmholtz-Resonatoren zur Absorption tieffrequenten Schalls.

Dem islamischen Gelehrten al-Bīrūnī wird für die Zeit um 1000 die Entdeckung zugeschrieben, dass der Schall sich um ein Vielfaches langsamer bewege als das Licht.[5][6]

Frühe Neuzeit

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Leonardo da Vinci (1452–1519) war unter anderem bekannt, dass Luft als Medium zur Ausbreitung des Schalls erforderlich ist und dass sich Schall mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet. Von dem Priester, Mathematiker und Musiktheoretiker Marin Mersenne (1588–1648) stammt neben anderen wissenschaftlichen Erkenntnissen zur Natur des Schalls auch die erste Angabe einer experimentell bestimmten Schallgeschwindigkeit. Galileo Galilei (1564–1642) beschrieb den für die Akustik wichtigen Zusammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz. Galilei und Mersenne entdeckten etwa zeitgleich eine beim Instrumentenbau eingesetzte Formel zur exakten Berechnung der benötigten Masse (Dicke), Spannungsgrad und Schwingungsfrequenz einer Saite zur Hervorbringung bestimmter Töne.

Joseph Sauveur (1653–1716) führte die Bezeichnung „Akustik“ für die Lehre vom Schall ein. Isaac Newton (1643–1727) berechnete als erster die Schallgeschwindigkeit auf Grund theoretischer Überlegungen, während Leonhard Euler (1707–1783) eine Wellengleichung für Schall in der heute verwendeten Form fand. Ernst Florens Friedrich Chladni (1756–1827) gilt als Begründer der modernen experimentellen Akustik; er fand die Chladnischen Klangfiguren, die Eigenschwingungen von Platten sichtbar machen.

19. Jahrhundert

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Mit Beginn des 19. Jahrhunderts setzte eine intensive Beschäftigung mit der Akustik ein und zahlreiche Wissenschaftler widmeten sich dem Thema. So fand Pierre-Simon Laplace (1749–1827) das adiabatische Verhalten von Schall, Georg Simon Ohm (1789–1854) postulierte die Fähigkeit des Gehörs, Klänge in Grundtöne und Harmonische aufzulösen, Hermann von Helmholtz (1821–1894) erforschte die Tonempfindung und beschrieb den Helmholtz-Resonator und John William Strutt, 3. Baron Rayleigh (1842–1919) veröffentlichte die „Theory of Sound“ mit zahlreichen mathematisch begründeten Erkenntnissen, die den Schall, seine Entstehung und Ausbreitung betreffen.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts werden erste akustische Mess- und Aufzeichnungsgeräte entwickelt, so der Phonautograph von Édouard-Léon Scott de Martinville (1817–1897) und später der Phonograph von Thomas Alva Edison (1847–1931). August Kundt (1839–1894) entwickelte das Kundtsche Rohr und setzte es zur Messung des Schallabsorptionsgrades ein.

20. Jahrhundert

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Ab dem Beginn des 20. Jahrhunderts kam es zur breiten Anwendung der vorhandenen theoretischen Erkenntnisse zur Akustik. So entwickelte sich die von Wallace Clement Sabine begründete wissenschaftliche Raumakustik mit dem Ziel, die Hörsamkeit von Räumen zu verbessern. Die Erfindung der Elektronenröhre 1907 ermöglichte den breiten Einsatz elektroakustischer Übertragungstechnik. Paul Langevin (1872–1946) verwendete Ultraschall zur technischen Ortung von Objekten unter Wasser (Sonar). Heinrich Barkhausen (1881–1956) erfand das erste Gerät zur Messung der Lautstärke. Seit etwa 1930 erscheinen wissenschaftliche Fachzeitschriften, die sich ausschließlich Themen der Akustik widmen.

Zu einer der wichtigsten Anwendungen der Akustik entwickelt sich in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch die Minderung von Lärm, so wird zum Beispiel der Schalldämpfer für die Abgasanlage von Kraftfahrzeugen immer weiter verbessert. Mit der Einführung von Strahltriebwerken um 1950 und der für den erfolgreichen Einsatz notwendigen Lärmminderung entwickelte sich die Aeroakustik, die wesentlich durch die Arbeiten von Michael James Lighthill (1924–1998) begründet wurde.

Teilgebiete

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Abgasschalldämpfer an einem Pkw

Innerhalb der Akustik werden eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte behandelt:

Analysemethoden

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Frequenzanalyse

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Neben der Betrachtung zeitgemittelter Schallfeld- und Schallenergiegrößen wird oft die zeitliche Auslenkung gemessen, z. B. das Drucksignal, und einer Frequenzanalyse unterzogen. Für den Zusammenhang des so erhaltenen Frequenzspektrums mit dem Klang siehe Klangspektrum. Die zeitliche Veränderung innerhalb eines Schallereignisses wird durch Kurzzeit-Fourier-Transformation zugänglich. Die Veränderungen des Spektrums beim Prozess der Schallabstrahlung, -ausbreitung und Messung bzw. Wahrnehmung werden durch den jeweiligen Frequenzgang beschrieben. Den Frequenzgang des Gehörs berücksichtigen Frequenzbewertungskurven.

Resonanzanalyse

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Die akustische Resonanzanalyse wertet die entstehenden Resonanzfrequenzen aus, wenn ein Körper durch eine impulshafte Anregung wie etwa einen Schlag in Schwingung versetzt wird. Ist der Körper ein schwingungsfähiges System, so bilden sich über einen gewissen Zeitraum bestimmte charakteristischen Frequenzen aus, der Körper schwingt in den so genannten natürlichen Eigen- oder Resonanzfrequenzen – kurz Resonanzen.

Ordnungsanalyse

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Bei der Ordnungsanalyse werden Geräusche oder Schwingungen von rotierenden Maschinen analysiert, wobei im Gegensatz zur Frequenzanalyse hierbei der Energiegehalt des Geräusches nicht über der Frequenz, sondern über der Ordnung aufgetragen wird. Die Ordnung entspricht dabei einem Vielfachen der Drehzahl.

Laborräume

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Reflexionsarmer Raum (Freifeldraum) der TU Dresden – 1000 m3 Gesamtvolumen

Reflexionsarmer Raum

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Ein reflexionsarmer Raum, manchmal physikalisch unrichtig auch „schalltoter“ Raum genannt, besitzt Absorptionsmaterial an Decke und Wänden, so dass nur minimale Reflexionen auftreten und Bedingungen wie in einem Direktfeld D (Freifeld oder freiem Schallfeld) herrschen, wobei der Schalldruck mit 1/r nach dem Abstandsgesetz von einer Punktschallquelle abnimmt. Solche Räume eignen sich für Sprachaufzeichnungen und für Versuche zur Lokalisation von Schallquellen. Wird auf einer gedachten Hüllfläche um die Schallquelle die senkrecht durch diese Fläche tretende Schallintensität gemessen, so kann die Schallleistung der Quelle bestimmt werden. Ein reflexionsarmer Raum mit schallreflektierendem Boden wird in Angrenzung zum Freifeldraum als Halbfreifeldraum bezeichnet.

Freifeldraum

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Ein Freifeldraum ist die spezielle Ausführung eines reflexionsarmen Raumes. Hier ist jedoch zusätzlich auch der Boden mit absorbierendem Material bedeckt. Da der Boden durch diese Maßnahme nicht mehr begehbar ist, wird meistens ein schalldurchlässiges Gitter darüber angeordnet, das den Zugang zum Messobjekt ermöglicht. Derartige Räume werden in der akustischen Messtechnik eingesetzt, um gezielte Schallquellenanalysen – auch unter dem Messobjekt – durchführen zu können.

Hallraum

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Hallraum der TU Dresden

Ein Hallraum dagegen wird so konstruiert, dass an jedem beliebigen Punkt im Schallfeld Reflexionen gleicher Größe aus allen Richtungen zusammentreffen. In einem idealen Hallraum herrscht daher mit Ausnahme des Bereiches direkt um die Schallquelle (siehe Hallradius) an jedem Ort derselbe Schalldruck. Ein solches Schallfeld wird Diffusfeld genannt. Da die Schallstrahlen aus allen Richtungen gleichzeitig einfallen, ist in einem Diffusfeld keine Schallintensität vorhanden. Um Resonanzen in einem Hallraum zu vermeiden, wird er im Allgemeinen ohne parallel zueinander stehende Wände und Decken gebaut. Über Nachhallzeit-Messungen oder durch Referenzschallquellen kann der Raum kalibriert werden. Hierbei wird die Differenz zwischen dem an einem beliebigen Ort im Raum, weit genug außerhalb des Hallradius gemessenen Schalldruckpegel und dem Schallleistungspegel einer Schallquelle bestimmt. Diese Differenz ist frequenzabhängig und bleibt unverändert, solange sich der Aufbau des Raumes und der Absorptionsgrad der Wände nicht ändern. In einem Hallraum kann daher die Schallleistung einer Quelle theoretisch mit einer einzigen Schalldruckmessung bestimmt werden. Dieses ist z. B. für Fragestellungen im Bereich des Schallschutzes sehr nützlich.

Akustik in der Natur

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Akustik bei Lebewesen

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Die meisten höheren Tiere besitzen einen Hörsinn. Schall ist ein wichtiger Kommunikationskanal, da er praktisch unmittelbare Fernwirkung besitzt. Mit Lautäußerungen ist den Tieren ein Mittel zur Reviermarkierung, Partner- oder Rudelsuche, zum Auffinden von Beute und zur Mitteilung von Stimmungen, Warnsignalen usw. gegeben. Der menschliche Hörbereich liegt zwischen der Hörschwelle und der Schmerzschwelle (etwa 0 dB HL bis 110 dB HL).

Lautlehre

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Bei der Erzeugung von Lauten im Rahmen der Lautlehre unterscheidet man im Allgemeinen zwischen stimmhaften und stimmlosen Phonemen. Bei den stimmhaften Phonemen, die als Vokale bezeichnet werden, werden beim Kehlkopf durch Vibration der Stimmbänder die „Roh“klänge erzeugt, die dann im Rachen- und Nasenraum durch verschiedene willkürlich beeinflussbare oder unveränderliche individualspezifische Resonanzräume moduliert werden. Bei stimmlosen Phonemen, den Konsonanten, ruhen die Stimmbänder, wobei der Laut durch Modulation des Luftstromes zustande kommt. Beim Flüstern werden selbst die Vokale nur durch Modulation des Spektrums des Rauschens eines hervorgepressten Luftstromes gebildet, wobei die Stimmbänder ruhen.

Berufsausbildung

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Fachleute für Akustik werden als Akustiker oder Akustikingenieur bezeichnet. Die englischen Berufsbezeichnungen sind acoustical engineer oder acoustician. Der übliche Zugang zu diesem Arbeitsfeld ist ein Studium im Bereich Physik oder ein entsprechendes ingenieurwissenschaftliches Studium. Hörakustiker arbeiten im Fachbereich der Medizintechnik und verwenden in ihrem Beruf sowohl physikalisches als auch medizinisches Fachwissen.

Literatur

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  • Friedrich Zamminer: Die Musik und die musikalischen Instrumente in ihrer Beziehung zu den Gesetzen der Akustik. Ricker, 1855 (Online).
  • Wilhelm von Zahn: Über die akustische Analyse der Vocalklänge (= Programm der Thomasschule in Leipzig 1871). A. Edelmann, Leipzig 1871.
  • Dieter Ullmann: Chladni und die Entwicklung der Akustik von 1750–1860. Birkhäuser, Basel 1996, ISBN 3-7643-5398-8 (Science Networks Historical Studies 19).
  • Hans Breuer: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. dtv-Verlag, München 1996, ISBN 3-423-03226-X.
  • Heinrich Kuttruff: Akustik. Hirzel, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8.
  • Gerhard Müller und Michael Möser: Taschenbuch der Technischen Akustik. 3. Auflage. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-41242-5.
  • Ivar Veit: Technische Akustik. Vogel-Verlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3013-2.
  • Jens Ulrich und Eckhard Hoffmann: Hörakustik – Theorie und Praxis. DOZ-Verlag, 2007, ISBN 978-3-922269-80-9.
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Commons: Akustik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Akustik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Grundlagen der Akustik – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

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  1. ↑ H. Backhaus: Akustik (Handbuch der Physik, Band 8), 1927; Nachdruck online in Auszügen verfügbar: H. Backhaus, J. Friese, E.M.v. Hornbostel, A. Kalähne, H. Lichte, E. Lübcke, E. Meyer, E. Michel, C. V. Raman, H. Sell, F. Trendelenburg: Akustik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-47352-4, S. 477 (google.com).
  2. ↑ Eric J. Heller: How sound propagates, S. 1, aus: ders., Why You Hear What You Hear, Princeton University Press 2012, ISBN 978-0-691-14859-5. Heller und andere englischsprachige Quellen zitieren das 8. Kapitel von De Anima als Treatise on Sound and Hearing, obwohl das Kapitel in deutschen Übersetzungen keinen Titel außer den Nummer hat. Die hier zitierte deutsche Übersetzung der Stellen erfolgt nach Von der Seele und von der Welt, übers. von C. H. Weiße, 1829, bis auf das: "Ausdehnen und Zusammenziehen" der Luft, das in der englischen Übersetzung bei Heller als "air being contracted and expanded" auftaucht, von Weiße jedoch als: "das Fließen von vieler und zusammengedrängter Luft" bzw. "daß die Luft in Masse abspringt und erschüttert wird" übersetzt wird. Es ist schwer, die genaue Stelle für "air being contracted and expanded" in der deutschen Übersetzung zu finden, obwohl dieses Aristoteleszitat seit dem 19. Jahrhundert in diversen englischen Abhandlungen zum Thema auftaucht, wie etwa der in der nächsten Fußnote genannten Quelle Whewell.
  3. ↑ Whewell, William: History of the inductive sciences: From the earliest to the present times. Buch 2, Cambridge, ISBN 978-0-511-73434-2, S. 295.
  4. ↑ Barker, Andrew. Greek musical writings, Cambridge 2004, Cambridge University Press, ISBN 0-521-38911-9, S. 98. OCLC 63122899.
  5. ↑ Sparavigna, Amelia Carolina (2013): The Science of Al-Biruni, International Journal of Sciences, Nr. 2, Dezember 2013, S. 52–60.
  6. ↑ Abu Arrayhan Muhammad ibn Ahmad al-Biruni, School of Mathematics and Statistics, University of St. Andrews, Schottland, November 1999.
  7. ↑ awi.de, Ozeanische Akustik (4. März 2017)
  8. ↑ deutschlandfunk.de, Hörspiel, 17. Dezember 2017: In darkness let me dwell – Lieder aus der Finsternis (4. März 2017)
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