Der „Klang der Stille“, „Klang und Sehen“ und musikalische Hügel, die mit dem Klang der Musik lebendig werden — ja, Klang ist überall um uns herum in Liedern und in unserem täglichen Leben.
Aber was genau ist Schall und genauer gesagt, was ist Schallenergie? Gibt es Geräusche, wenn niemand sie hört? (OK, wir werden hier ein bisschen philosophisch, aber Sie können sehen, wie es zu so vielen weiteren Fragen führt.)
Fast alle von uns genießen bestimmte Klänge, die ein breites Spektrum abdecken, sei es die Beatles, die über eine Amsel singen, oder die ASMR-Begeisterung für leise Geräusche. In der Zwischenzeit benötigen einige Arbeiter Schutz vor Schallenergie und tragen Gehörschutz — von Hubschrauberpiloten bis hin zu Ölbohrern, die schwere Maschinen einsetzen.
Schauen wir uns Schallenergiedefinitionen an und wie unser Verständnis von Schallquellen unsere Welt mitgestaltet.
Was ist die Definition von Schallenergie?
Bevor wir Schallenergie definieren, müssen wir zwei Haupttypen von Energie im Universum verstehen:
- Potentielle Energie oder Energie, die irgendwo gespeichert ist
- Kinetische Energie, die Energie der Bewegung
Diese Energien können in andere Energieformen unterteilt werden. Dennoch bleiben potentielle und kinetische Energie die Säulen des Energieverständnisses. Werfen Sie einen Blick auf unseren Leitfaden zu potentieller und kinetischer Energie, um einen tieferen Einblick in diese Energien zu erhalten.
Schallenergie ist eine dieser Energieunterteilungen. Eine Schallwelle ist eine Form mechanischer Energie. Schallenergie ist die Energie, die durch die Schwingungen eines Objekts freigesetzt wird – Schall ist das, was Sie von Schwingungen erhalten. Schall bewegt sich als Schallwellen, die vibrierende Partikel sind. Und Schallwellen können sich durch Gas, Flüssigkeiten und Feststoffe bewegen.
Wie wird Schallenergie erzeugt?
Nehmen wir eine Bongotrommel und legen sie auf den Boden, bereit zum Spielen. Es hat potentielle Energie in dieser Position. Jetzt schlagen wir das Trommelfell mit unseren Händen. Diese Handbewegung ist kinetische Energie.
Wenn Ihre Hand (kinetische Energie) auf den Bongo trifft (potentielle Energie), vibrieren der Trommelkopf und die Haut des Bongos, wodurch die umgebenden Luftmoleküle vibrieren. Sie vibrieren auch gegen nahe gelegene Luftmoleküle und lösen eine Vibrationskettenreaktion aus. Die vibrierenden Luftmoleküle vibrieren gegen benachbarte Partikel, dann gegen den nächsten Satz von Molekülen usw. und erzeugen eine Schallwelle, die sich von ihrer Quelle nach außen bewegt.
Diese vibrierenden Moleküle oder Partikel, die von einem vibrierenden Objekt kommen, bilden eine Schallwelle. Zum Beispiel ist es einfach, jemandes Stimme zu hören, wenn Sie von Angesicht zu Angesicht mit ein paar Zentimetern Abstand sprechen – die Schallwelle bewegt sich auf jede Person zu. Wenn Sie den Abstand verdoppeln und einander den Rücken kehren, wird es schwieriger, die gesprochenen Stimmen des anderen zu hören. Die Schallwellen wandern von beiden Menschen weg.
Schallwellen bewegen sich, wenn ein Objekt vibriert; dies wird Ausbreitung genannt.
Schallwellen, die die Luftmoleküle um uns herum vibrieren lassen, werden vom menschlichen Ohr erkannt, wodurch das Trommelfell vibriert. Je größer die Schallschwingungen, desto lauter der Schall – dies wird als Schallintensität bezeichnet. Die Intensität wird dadurch bestimmt, wie stark die Luftteilchen schwingen und wie viel Energie in einer Schallwelle steckt.
Um sich vorzustellen, wie eine Schallwelle aussieht, denken Sie an eine schleichende Welle, die mit einem dieser gewundenen Spielzeuge aus Ihrer Kindheit gemacht wurde. Wenn Sie den Slinky von einem Ende aus nach oben und unten oder links und rechts bewegen, erzeugen Sie eine kontinuierliche Welle, die sich entlang des Slinkys bewegt. Das Gleiche passiert mit Schall – die Schwingungen wandern als Wellen nach außen und gehen in die gleiche Richtung.
Der menschliche Körper kann viele verschiedene Geräusche erzeugen, um das Phänomen zu erklären. Sie könnten in die Hände klatschen, singen, die Knöchel knacken oder sogar etwas Wasser schlucken. Alle diese Aktionen erzeugen verschiedene Arten von Geräuschen und damit Schallwellen.
Hat Klang Energie?
Ja, Schall hat Energie. Die Wellen der Vibration sind die Energie des Schalls.
Wie können wir Schallenergie und Schallwellen hören?
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Schallwellen wandern durch die Luft oder Flüssigkeiten oder Feststoffe und erreichen unsere Ohren. Die Wellen wandern in unsere Gehörgänge und dann weiter zu unserem Trommelfell und lassen unsere Gehörknöchelchen — drei winzige Knochen in unseren Ohren – vibrieren.
Von hier aus übertragen unsere nun vibrierenden Gehörknöchelchen die Schallwellen auf unsere Cochlea. An diesem Punkt wandeln sogenannte Haarzellen all diese Wellen in Signale um, die unser Gehirn verstehen und interpretieren oder „hören“ kann, was wir als Klang verstehen.
Denken Sie darüber nach, Musik zu hören. Lassen Sie uns das gleiche Musikstück dreimal spielen, aber unter verschiedenen Bedingungen. Hören Sie es sich beim ersten Mal an, während Sie im selben Raum wie die Stereoanlage stehen. Das Lied sollte klar sein, wenn es durch die Luft reist. Das zweite Mal, führen Sie ein Bad (genießen!) und hören Sie die Musik, während Sie Kopf und Ohren unter Wasser halten. Der Klang ändert sich, weil Schallwellen schneller unter Wasser reisen. Und schließlich, hören Sie die Musik in einem angrenzenden Raum, mit allen Türen geschlossen.
Das gleiche Musikstück klingt in jeder Umgebung anders, da Schallwellen jedes Element (Luft, Wasser, Wände) auf unterschiedliche Weise durchdringen.
Wie laut ist Ton?
Schallwellen verändern sich je nach Lautstärke des Tons. Je größer die Vibrationen, desto lauter der Klang und desto größer die Energiemenge in der Schallwelle.
Wenn wir leicht auf unsere Bongotrommel klopfen, macht sie weniger Vibrationen — und wenig Lärm — als wenn wir die Trommel mit einem Holzlöffel mit aller Kraft schlagen.
Je größer die Schwingungen, desto größer die Amplitude der Schallwelle. Die Amplitude ist die Höhe der Schallwelle. Ein ohrenbetäubender Ton erzeugt eine riesige Schallwelle mit hoher Amplitude, während leisere Töne kleinere Schallwellen haben.
Sowohl Lautstärke als auch Tonhöhe beeinflussen das menschliche Ohr. Übermäßige Schallenergie – die enorme Schallwellen hat – kann uns starke Schmerzen verursachen und uns schaden und in extremen Fällen taub machen.
Warum haben Klänge unterschiedliche Tonhöhen?
Wie wir gesehen haben, wird das Rauschen einer Schallwelle durch ihre Höhe bestimmt: je höher die Welle, desto lauter der Klang. Eine Schallwelle ist auch durch ihre Länge oder den Abstand zwischen den Spitzen jeder Welle gekennzeichnet. Denken Sie an den Abstand zwischen regelmäßigen Wellen, die sich gegen das Ufer legen.
Schallwellen mit sehr nahe beieinander liegenden Spitzen erzeugen höhere Töne. Das liegt daran, dass sie sehr schnell vibrieren. Musikinstrumente wie Trompeten haben hohe Töne und erzeugen Schallwellen, die nahe beieinander liegen.
Umgekehrt erzeugen Schallwellen mit weiter auseinander liegenden Wellenspitzen Töne mit niedrigerer Tonhöhe. Diese Schallwellen schwingen langsamer. Eine Oboe oder ein Fagott sind Musikinstrumente mit niedrigerer Tonhöhe.
Ein Xylophon veranschaulicht diesen Tonhöhenunterschied perfekt. Die unteren, schwereren und größeren Balken erzeugen eine langsamere Schallwelle mit größerem Abstand zwischen ihnen als die höhere Tonhöhe der kleineren, leichteren Balken.
Stimmgabeln gibt es in verschiedenen Tonhöhen und Größen. Je kleiner die Stimmgabel ist, desto höher ist ihre Tonhöhe (vorausgesetzt, alle verwendeten Materialien sind gleich), und je größer die Stimmgabel ist, desto niedriger ist ihre Tonhöhe. Wenn Sie dieselbe Stimmgabel zweimal schlagen, einmal leise und einmal mit Gewalt, wird der härter getroffene Versuch lauter mitschwingen, da er mehr Schallenergie hat.
Wenn die Tonhöhe eines Tons für das menschliche Ohr zu hoch ist, nennen wir es Ultraschall. Wenn es zu niedrig ist, nennen wir es Infraschall.
Architekten und Toningenieure studieren Klangreisen, die Akustik genannt werden, wenn sie Konzertsäle, Kinos und überall dort entwerfen, wo Klang unerlässlich ist. Harte Oberflächen reflektieren Schall gut und erzeugen Echos, während weichere Oberflächen wie Teppiche Schall absorbieren und das Echo reduzieren.
Wie messen wir Schall?
Schall wird in Dezibel gemessen, auch bekannt als Schallenergiedichte oder Schalldruck.
Was ist die Schallgeschwindigkeit?
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Verschiedene Faktoren können die Schallgeschwindigkeit beeinflussen, z. B. die Lufttemperatur, das Material, durch das die Schallwelle strömt, und die Schallwellenfrequenz.
Auf der Erde, auf Meereshöhe, bei einer Lufttemperatur von 59 Grad Fahrenheit (15 Grad Celsius), beträgt die Schallgeschwindigkeit 761,2 mph (1.225 km / h). Schall bewegt sich schneller durch wärmere Luft. Je höher Sie sich in der Atmosphäre befinden, desto niedriger ist die erforderliche Geschwindigkeit, um die Schallmauer zu durchbrechen.
Zum Beispiel war das erste Flugzeug, das die Schallmauer durchbrach und mit Überschallgeschwindigkeit flog, ein Bell X-1 raketengetriebenes Forschungsflugzeug. Am 14.Oktober 1947 wurde das Flugzeug hoch in die Atmosphäre geschleppt und freigegeben. Es durchbrach die (lokale) Schallmauer bei 662 Meilen pro Stunde (1.066 km / h).
Ein Überschallknall tritt auf, wenn Flugzeuge schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegen. Ein Geräusch wie Donner ist zu hören, weil die Luft mit großer Kraft beiseite geschoben wird und eine Schockwelle erzeugt. Die verdrängten, unter Druck stehenden Luftpartikel bewegen sich in alle Richtungen nach außen, und die Druckentlastung von der Stoßwelle ist als Schallknall zu hören.
Was ist der Doppler-Effekt?
Schallwellen können Ihren Ohren beim sogenannten Doppler-Effekt einen Streich spielen.
Zum Beispiel hat ein Auto, das sich Ihnen nähert, eine hohe Tonhöhe, die sich senkt, sobald es an Ihnen vorbeigefahren ist, obwohl sich die Geräuschentwicklung des Autos überhaupt nicht ändert. Wenn Sie im Fahrzeug sitzen würden, würden Sie überhaupt keine Veränderung des Geräuschs des Autos bemerken. Die Schallwellenlängenfrequenzen des Autos bleiben während der Annäherung und des Vorbeifahrens gleich.
Die Geschwindigkeit des Autos, wenn es sich auf Sie zubewegt, lässt die Schallwellen jedoch schneller oder häufiger auf Ihr Ohr treffen, als das Fahrzeug sie erzeugt. Dadurch klingt die Tonhöhe des Motors höher. Das Gegenteil tritt auf, sobald das Auto an Ihnen vorbeifährt – die Schallwellen kommen langsamer und mit einer niedrigeren Frequenz an Ihr Ohr, wodurch es niedriger klingt.
Warum kannst du im Weltraum keinen Ton hören?
Der Weltraum ist ein Vakuum, in dem keine Luftmoleküle für Schallwellen vibrieren. Schall ist eine mechanische Welle und kann daher nicht durch ein Vakuum wandern. Es gibt keine Luftmoleküle im Vakuum, die die Schallwelle vibrieren kann.
Wir können es visuell machen, indem wir an ein Stadion voller Menschen denken, die eine Stadionwelle ausführen. Die Menschen sind die Luftmoleküle, und sie bewegen sich — oder vibrieren -, um die elektromagnetische Welle am Laufen zu halten. Schallwellen (die Schallwelle) können sich bewegen, wenn Luftmoleküle (Menschen) vorhanden sind.
Es gibt keine Luftmoleküle (Menschen) in einem Vakuum, so dass die Schallwelle nicht reisen und ein Geräusch machen kann, so wie es keine Schallwelle ohne Menschen gibt.
Praktische Anwendungen für Schallenergie
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Schallenergie ist nicht darauf beschränkt, uns zu ermöglichen, zu kommunizieren und zu hören, was um uns herum geschieht. Die Aufnahme von Ton ist eine Sache, aber jetzt können wir Schallenergie auf viele Arten nutzen, um unseren Lebensstil zu verbessern.
Wie wird Schallenergie genutzt?
Schallenergie ist wohltuende Energie. Tag für Tag können wir mit Schallenergie wissen, wann Telefone klingeln, Musik hören, kommunizieren, indem wir sprechen, und einen Lastwagen hupen hören, um vor Gefahren zu warnen. Dies sind nur einige Beispiele für Schallenergie.
Ultraschall – Schallenergieschwingungen in einer für den Menschen zu hohen Tonhöhe – ist für den medizinischen Bereich von entscheidender Bedeutung. Ultraschall verwendet die gleiche Echoortungsmethode, um werdenden Müttern ihr sich entwickelndes Baby über einen Scan zu zeigen.
Ultraschall kann auch Nierensteine aufbrechen oder zum Scannen von Organen verwendet werden.
In der Zwischenzeit können Schiffe mit Sonar navigieren und die Meere durchsuchen, den Meeresboden kartieren oder nach versunkenen Schiffen suchen.
Verwendet Sonar Schallwellen?
Sonar steht für Sound Navigation and Ranging. Sonar wurde ausgiebig auf See verwendet, um die Ozeane zu kartieren, Gefahren zu lokalisieren, zu suchen und vieles mehr.
Sonar verwendet Schallwellen, da Schallwellen im Wasser weiter wandern als Radar oder Licht.
Aktives Sonar pulsiert Schallwellen in Objekte und „hört“ auf Echos, die zur Kartierung des untersuchten Bereichs beitragen können. Passives Sonar beinhaltet das „Abhören“ von Schallwellen im Ozean, wie z. B. anderen Booten oder Walen.
Was ist der Unterschied zwischen Schallwellen und Radiowellen?
Wir haben gesehen, dass Klänge aus Wellen bestehen. Wenn wir Radio hören, erzeugt es Geräusche. Dennoch unterscheiden sich Schallwellen und Radiowellen grundlegend voneinander.
Ein Radio empfängt Wellen, die übertragen werden. Der entscheidende Unterschied zwischen Schallwellen und Radiowellen besteht darin, dass die Radiowelle eine Art elektromagnetische Welle ist. Im Gegensatz dazu sind Schallwellen Vibrationen, die eine mechanische Welle erzeugen.
Radiowellen können im Gegensatz zu Schallwellen auch durch Vakuum wandern. Deshalb kommunizieren Satelliten wie Voyager 1 über Funkwellen mit der Erde.
Kann Schallenergie in elektrische Energie umgewandelt werden?
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Ja, wir können konvertieren sound energie in elektrische energie. Ein weit verbreitetes Beispiel ist ein Mikrofon.
Wenn jemand in ein Mikrofon spricht oder singt, wandert die Schallenergie das Mikrofon hinunter, um auf ein Diaphragma zu treffen. Im Gegenzug vibriert die Membran und bewegt einen Magneten in der Nähe einer Spule. Das Mikrofon erzeugt nun ein elektrisches Signal.
Das elektrische Signal vom Mikrofon geht normalerweise zu einem Lautsprecher, und der Lautsprecher wandelt das elektrische Signal dann wieder in Schallwellen um. Als Ergebnis haben Sie Ihr Konzert, Karaoke oder Konferenzveranstaltung.
Die Forschung zur Umwandlung von Lärm in wertvolle elektrische Energie für die Stromversorgung von Geräten befindet sich in einem sehr frühen Stadium. Wie mit dem Mikrofon zu sehen ist, ist es möglich, aber die Umwandlung von Schall in Elektrizität auf vorteilhaften Ebenen bleibt eher theoretisch als praktisch.
Sie können jedoch einige ziemlich großartige akustische Levitationsexperimente mit Schallwellen und Schallenergie durchführen.
Wer hat die Schallenergie entdeckt?
Mehrere berühmte Namen haben bei der Entdeckung der Schallenergie geholfen.
- Der griechische Philosoph Pythagoras experimentierte bereits im 6. Jahrhundert v. Chr. mit vibrierenden Saiteneigenschaften.
- Aristoteles stellte die Hypothese auf, dass sich Schallwellen in der Luft durch die Bewegung der Luft ausbreiten.
- Der römische Architekturingenieur Vitruv hat im 1. Jahrhundert v. Chr. erfolgreich Schallwellenübertragungsmechanismen abgeleitet.
- Galilei studierte Schallwellen und Akustik im 16. und 17.Jahrhundert und hob die Studie auf ein wissenschaftliches Niveau.
- Der französische Mathematiker Marin Mersenne förderte die Schwingungsstudie und lieferte drei Gesetze, die die Grundlage der modernen musikalischen Akustik bilden.
- Robert Hooke, ein englischer Physiker, war der erste, der eine Schallwelle mit einer bekannten Frequenz erzeugte.
- Im späten 17. und frühen 18.Jahrhundert untersuchten die Studien des französischen Physikers Joseph Sauveur die Beziehung von Wellen, Tonhöhe und Frequenzen. Viele akustische Begriffe stammen aus seiner Arbeit.
Hören Tiere und Menschen unterschiedliche Schallwellen?
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Tiere und Menschen haben unterschiedliche Hörbereiche, was bedeutet, dass wir unterschiedliche Schallwellenbereiche von anderen Kreaturen hören.
Jede Spezies hat einen Hörbereich, und oft werden einige dieser Bereiche geteilt. Diese Frequenzbereiche werden in Hertz (Hz) und Kilohertz (kHz) gemessen.
Menschen können Schallwellen von 20 Hz bis 20.000 Hz erfassen.
In der Regel erkennen kleinere Säugetiere höhere Reichweiten und größere Tiere niedrigere Reichweiten.
Ein Elefant hat einen Bereich von 16 Hz bis 12.000 Hz. Viele Geräusche, die sie machen, sind für das menschliche Ohr nicht nachweisbar. Die Reichweite einer Katze reicht von 45 Hz bis 64.000 Hz — sie werden Dinge in der höheren Reichweite hören, die Menschen und Elefanten vermissen werden.
Hunde hören oft hohe Geräusche, die uns völlig unbekannt sind, da ihre Reichweite bis zu 45.000 Hz reicht.
Schallenergie prägt unsere Welt
Schallenergie ist viel mehr als das Hören von Geräuschen. Wir nutzen unser Gehör, um die Schallenergie, die uns umgibt, zu verstehen.
Das alte Rätsel um einen Baum, der in einen Wald fällt, ohne dass ihn jemand hört – macht er ein Geräusch? Wenn Sie Schallenergie verstehen, wissen Sie, dass der fallende Baum Luftpartikel zum Vibrieren bringt, aber kein Geräusch macht. Es erzeugt Schallenergie, und es macht nur dann ein Geräusch, wenn Sie da sind, um die vibrierenden Schallwellen zu empfangen, die Ihr Gehirn als Geräusch interpretieren kann.
Weitere faszinierende Fakten über Energie und Naturphänomene finden Sie im Amigo Energy Blog.
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