Schallschatten

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Ein Schallschatten (engl. acoustic shadow) oder eine Schallabschattung entsteht, wenn sich auf dem direkten Schallweg von der Schallquelle zum Hörer oder zum Mikrofon Hindernisse z. B. Säulen oder Menschen befinden.

Schallschatten, Schattengrenze[Bearbeiten]

Die entstehende Abschattung ist ein Gebiet verminderten Schalldrucks oder Schalldruckpegels auf der schallquellen-abgewandten Seite eines Hindernisses und ist kein scharfer Schatten, sondern, wie bei der Beugung (Physik) von Licht, eine breite Zone mit mehr oder weniger ausgeprägten Klangverfärbungen. Der Schallschatten wird durch die Wirkung der Schallbeugung „aufgehellt“, d. h. die Schallgrenze – oder Schattengrenze – ist mehr oder weniger verwaschen. Alle Schallanteile, deren Wellenlänge größer als die Ausdehnung der Hindernisse sind, werden um das Hindernis herumgebeugt.

Berechnung in Abhängigkeit von der Wellenlänge[Bearbeiten]

Ist die Wellenlänge λ klein verglichen mit der Ausdehnung des Hindernisses d, so entsteht dahinter ein Schallschatten, wobei die Übergänge gleitend sind. Damit ergibt sich als Wirkung eines Hindernisses im Schallfeld eine „Verdumpfung“ des Klangbilds und zwar umso stärker, je größer das Hindernis ist. Erst wenn die Ausdehnung des Hindernisses d größer als das Fünffache seiner Wellenlänge λ ist, entsteht für diese Frequenz f und höhere Frequenzen ein hörbarer verdumpfender Schallschatten. Der Raum hinter dem Ausbreitungshindernis ist der Schattenraum.

Die Schattengrenze liegt bei: 
d = 5 \cdot \lambda = \frac{5 \cdot c}{f}
.

Hierbei ist die Schallgeschwindigkeit c = 343 m/s bei 20 °C. Ist der Durchmesser des Hindernisses nur doppelt so groß wie die Wellenlänge, dann wird der Schall immer noch fast vollständig um das Hindernis herum gebeugt.

Nur ein sehr großes Hindernis wirft hinter sich einen Wellenschatten, d. h. ein fast wellenfreies Gebiet.

Wirksamkeit eines Hindernisses zur Lärmabschirmung[Bearbeiten]

Einfluss eines Hindernisses auf Schallausbreitung. Hier ist d die direkte Distanz zwischen Quelle und Empfänger.

Die Wirksamkeit eines Schallhindernisses wird stark von Beugungseffekten beeinflusst. 1968 präsentierte der Japaner Maekawa ein einfaches Modell zur Berechnung der Schallabschirmung an ebenen, langen Wänden. Als Basis dienten eine Reihe von Messungen deren Ergebnis als Funktion der aus der Optik bekannten Fresnel-Zahl ausdrückt wurden. Ergebnis ist ein empirisches Gesetz, nach dem man die Schallpegeldifferenz \Delta L, die durch das Hindernis verursacht wird, berechnen kann.[1] Generell kann gesagt werden, dass alle Punkte die unterhalb der Sichtlinie der Quelle liegen (also a+b-d=0), eine Pegeldifferenz von mindestens 5 dB aufweisen. Das Modell ermöglicht auch negative Fresnel-Zahlen bis -0,1 für Punkte oberhalb der Sichtlinie.

\delta = a + b -d und für Punkte oberhalb der Sichtlinie \delta = d - a - b < 0


N = \frac{2 \delta}{\lambda}


\Delta L = L_{frei} - L_{Hindernis} = 10 \cdot log(3 + 20 N) \ {\rm dB}

Da dieses Gesetz nur empirisch ermittelt wurde, hat es einen limitierten Einsatzbereich für Distanzen zwischen Lärmquelle und Empfänger von weniger als 100 m und Lärmhindernisse von mindestens 1 m Höhe. Die Entfernung spielt eine entscheidende Rolle, da für derart kurze Distanzen von annähernd linearer Lärmausbreitung ausgegangen werden kann - Wetterphänomene und Temperaturgradienten haben noch keinen Einfluss.

Abschattung in der Raumakustik[Bearbeiten]

In der Praxis werden vielfach Trennwände als Schallhindernisse zur akustischen Trennung der Schallwellen eingesetzt, um den Schallschatten auszunutzen. Das Eindringen von Schall in den Schattenbereich hinter ein Hindernis ist von praktischer Bedeutung, weil es für die begrenzte Wirkung von sogenannten Schallschirmen verantwortlich ist.

Abschattung der Ohrmuscheln durch den Kopf als Hindernis[Bearbeiten]

Die gegenseitige Abschattung der Ohrmuscheln durch den Kopf als Hindernis mit dem Ohrabstand d = 21 cm ergibt erst einen wirksamen Schallschatten von einer recht hohen Frequenz f an. Das sind f = 5 · 343 / 0,21 = 8200 Hz.

Trotzdem ergeben sich daraus aber Verschiebungen des Frequenzgangs, das dem Ohr ermöglicht, nicht nur – über die Laufzeit – rechts von links, sondern auch vorne von hinten und oben von unten zu unterscheiden (Richtungshören).

Dieser Effekt wird etwa in Raumklang-Simulationen über geeignete Hochpassfilter an bestimmten Kanälen erzeugt. [2]

Medizin[Bearbeiten]

Sonographisches Bild eines Gallensteins mit dahinter liegendem Schallschatten.

In der Sonographie bezeichnet man die Bildauslöschung hinter einer stark reflektierenden ("echoreichen") Struktur als Schallschatten. Eine im klinischen Alltag häufige Ursache für einen Schallschatten sind Gallensteine.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Quellen[Bearbeiten]

  1. Institut für Luft- und Raumfahrt, TU Berlin: Untersuchung zur Schallabschattung, abgerufen am 8. Juni 2012
  2. Tom Ammermann, Hartmut Gieselmann: Akustisches Holodeck. Binaurale Raumklang-Simulation mit Stereo-Kopfhörern. In: c't, Nr. 22, 2006. Heise Verlag. Seiten 238ff. ISSN 0724-8679