Was ist ein Ton

Jeder Ton besteht aus Schallwellen mit meist sinusförmigen Schwingungen. Physikalisch gesehen sind Schallwellen Druckschwankungen in einem elastischen Medium. Einzelne Moleküle des Mediums (gasförmig, flüssig oder fest) geraten durch äußere Anregung aus ihrer Gleichgewichtslage. Sie schwingen um ihren ursprünglichen Aufenthaltsort periodisch hin und her. Dabei wird das benachbarte Teilchen ebenfalls angestoßen. Dadurch kommt es zur Verdichtung und Verdünnung der Materie und somit zur Fortpflanzung des Schalls. Treten diese Schwingungen in Luft auf, spricht man von Luftschall. Schwingungen in festen Körpern, nennt man dies Körperschall. Auch in Flüssigkeiten kann sich Schall gut ausbreiten. Im Vakuum gibt es jedoch keine Schallausbreitung, da ja keine Materie vorhanden ist.


Was der Mensch als Schall wahrnimmt, ist also nichts als Luftdruckunterschiede, die dem natürlichen Luftdruck überlagert sind. Diese Schwingungen, die von einer Schallquelle ausgehen, lassen sich mit den Wellen vergleichen, die sich ausbreiten, wenn man einen Stein in ruhiges Wasser wirft. Jeder Ton kann durch drei Eigenschaften vollständig beschrieben werden: 1. Tonhöhe (Frequenz) 2. Lautstärke (Amplitude) 3. Klangfarbe

Die Frequenz gibt an, wie viele Schwingungen pro Zeiteinheit stattfinden. Um so größer die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit ist, desto höher ist der Ton. Festgelegte Frequenzen entsprechen den jeweiligen Ton der Tonleiter.

Die Amplitude entspricht der Stärke der periodischen Luftdruckschwankungen. Je größer die Amplitude ist, desto stärker sind die Druckunterschiede am Trommelfell im menschlichem Ohr, und desto lauter empfinden wir den Ton. Die Einheit der Lautstärke ist das Dezibel A (dB (A)). Wenn sich die Schallstärke um 10 dB erhöht, empfindet man die doppelte Lautstärke. Zur Verdopplung der Lautstärke ist eine Verzehnfachung der Schallenergie erforderlich.

Klangfarbe: Erzeugt man den Kammerton a` (440 Hertz) mit einer Geige, mit einem Klavier und mit einer Stimmgabel, und zwar jeweils in gleicher Lautstärke, dann haben die drei Töne dieselbe Frequenz und die gleiche Amplitude. Sie unterscheiden sich aber in ihrer Klangfarbe deutlich voneinander. In diesem Beispiel wird der einfachste (reinste) Ton von der Stimmgabel abgegeben. Er besteht praktisch nur aus einer Schwingung mit der Frequenz 440 Hertz. Die Hauptkomponente des Tones a` einer Geige oder eines Klaviers hat, wie gesagt, die Frequenz 440 Hertz. Die Schwingung enthält außerdem Anteile mit höheren Frequenzen, darunter das Vielfache (Oberwellen) von 440 Hertz: u. a. 880 Hertz, 1320 Hertz und 1760 Hertz. Die relativen Intensitäten der Komponenten mit höheren Frequenzen, also die Intensitäten der Obertöne, bestimmen die Klangfarbe des jeweiligen Tones.

Unter Wellenlänge versteht man den Abstand zwischen periodischen Wiederholungen im Schallwellenmuster, z. B. den Abstand zwischen zwei Wellenkronen. Die Wellenlänge wird üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben lambda bezeichnet und in Metern angegeben. In Luft hat ein Basston eine Wellenlänge von mehreren Metern, während die Wellenlänge von hohen Tönen nur ein paar Zentimeter beträgt.


Ausbreitung von Tönen

Bei einer von nichts behinderten Schallausbreitung spricht man von einem freien Schallfeld. Dieses freie Schallfeld finden wir aber im täglichen Leben nur sehr selten. Meist beeinflussen Objekte, Gegenstände, Wände oder auch Personen die Ausbreitung des Schalls. Alle Schallwellen, ob Sprache, Musik oder Lärm, breiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit aus. In der Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit 344 Meter pro Sekunde, dies entspricht ungefähr 1240 Kilometern pro Stunde. Diese Geschwindigkeit variiert aber in Abhängigkeit von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck leicht. Im Wasser ist die Schallgeschwindigkeit mehr als dreimal so groß (1480 Meter pro Sekunde), in Eisen rund 15 mal so groß wie in der Luft (5000 Meter pro Sekunde).

 


Lautstärke

Ein gesundes Hörorgan kann ohne weiteres mit großen Schalldruck-Unterschieden zurechtkommen. Ob ein Mensch einen Schall hören kann, hängt von dessen Frequenz ab. Das menschliche Ohr kann Töne zwischen 20 Hz und 20000 Hz wahrnehmen. Bei Frequenzen zwischen 1000 und 4000 Hz ist die Empfindlichkeit unseres Gehörorganes am größten. In diesem Bereich können wir Töne mit einem Schalldruckpegel von ca. 20 Mikropascal (µPa) hören. Dieser Pegel wird daher auch bei Messungen von Schallpegeln international als «Nullpunkt» angesetzt. Die Wahrnehmung von Schall unterliegt einer gewissen Gesetzmäßigkeit. Die Schallpegelskala in Dezibel (dB) ist dieser Gesetzmäßigkeit angepasst.

Maximale wöchentliche Schall-Einwirkzeit
(Angaben ohne Gewähr)
85 dB
40 Stunden
90 dB
12 Stunden
95 dB
3 Stunden
100 dB
1 Stunde
105 dB
18 Minuten
110 dB
7 Minuten
115dB
2 Minuten
120 dB
45 Sekunden
Schallpegel verschiedener Quellen
bis 130 dB
Düsentriebwerk oder Disco
bis 120 dB
Presslufthammer
bis 110 dB
Konzert, Open-Air
bis 85 dB
Gehörschutzpflicht am Arbeitsplatz
bis 65 dB
Normale Sprachlautstärke
bis 40 dB
Blätterrauschen im Wald, Flüstern

 


Sprachbeschallung

Wenn sich der Schall von einer Quelle her ausbreitet, breitet sich auch die Schallenergie über ein zunehmend grösseres Raumgebiet aus, und der Schalldruck nimmt entsprechend ab. In einem freien Schallfeld nimmt er jedesmal um rund 6 dB ab, wenn die Entfernung zur Quelle verdoppelt wird. Innerhalb eines Raumes gilt dieses Abstandsgesetz aber nur nahe der Schallquelle. In einer Entfernung zwischen 0,5 und 2 m wird der Einfluss jener Schallwellen wichtig, die von den Wänden, dem Boden und der Decke reflektiert werden. Wenn eine Schallwelle auf eine mehr oder weniger große , harte Oberfläche trifft, tritt eine Schallreflexion auf. Der Schall wird von der Oberfläche ähnlich wie Licht von einem Spiegel reflektiert. Sprechen Leute in einem Raum, so wird das Klangbild großteils von den Eigenschaften der reflektierenden Oberflächen beeinflusst. Ein kurzer Schall ist so lange zu hören, bis die meiste Schallenergie absorbiert worden ist. Dieses Phänomen nennt man Nachhallzeit; in einem normalen Wohnzimmer beträgt sie den Bruchteil einer Sekunde, in einer Konzerthalle hingegen mehrere Sekunden. Wird der Schall von einem entfernten Objekt reflektiert, ist diese Schallreflexion als Echo zu hören.

Bei der Sprachbeschallung gibt es leider immer wieder große Probleme, da die meisten Räumlichkeiten mit sehr vielen harten Reflexionsflächen (Wände, Möbel, Wandverkleidungen, Deckenelementen) ausgestattet sind. Solche Mißstände lassen sich nachträglich nur sehr schwer verbessern. Daher sollte jeder Veranstaltungsraum nicht nur nach optischen Gesichtspunkten geplant werden, sondern auch auf akustische Grundregeln geachtet werden. Wobei die Sprachbeschallung noch schwieriger in den Griff zu bekommen ist wie die Musikbeschallung.


Musikbeschallung