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Wenn wir eine angesagte Melodie auflegen, scheinen wir sie bald zu genießen. Das hat alles mit der Funktionsweise des menschlichen Ohrs zu tun, das die so genannte mechanische Energie der Klangeffekte in elektrochemische Signale umwandelt. Über das Gehör wandelt die Großhirnrinde den empfangenen Schall in etwas um, das wir wahrnehmen können. Doch das ist noch nicht die ganze Erklärung der Geschichte. Um Musik wirklich zu verstehen, müssen wir wissen, was Klang ist, und zwar noch bevor er von unserem Körper verarbeitet wird.
Beschreibung des Sounds
Der Große Van Dale definiert Klang als Schwingungen in der Luft, die vom Hörorgan wahrgenommen werden. Mehrere andere Wörterbücher schließen sich dieser Definition an und stellen somit eine Verbindung zwischen Schwingungen oder einer Veränderung des Luftdrucks und der Wahrnehmung her. Demnach ist das, was wir nicht hören können, kein Schall. Logischerweise wird ein Delfin Geräusche anders wahrnehmen als ein Mensch: Was für einen Delfin ein Geräusch ist, ist für einen Menschen möglicherweise kein Geräusch. Zumindest können wir so den Klang in seiner engsten Form beschreiben.
Aus wissenschaftlicher Sicht können wir den Begriff Klang also viel weiter fassen. Hier verlassen wir die egozentrische Neigung des menschlichen Hörorgans und sprechen im weiteren Sinne von den Klangeffekten oder Schwingungen, die sich durch die Luft bewegen und von einem Hörorgan aufgenommen werden können. Und schließlich sind wir in einer noch breiteren Sichtweise nicht auf Veränderungen des Luftdrucks beschränkt, sondern können uns auch auf ein anderes Medium beziehen. Außerdem kann der Begriff Klang auch verwendet werden, wenn er sich nicht mehr auf eine hörbare Veränderung bezieht. Auf diese Weise sprechen wir auch von "Ultraschall".
Wie kommt es zu diesen Lärmeffekten?
Schallwellen werden durch Luftschwingungen erzeugt. Das liegt daran, dass diese subtilen Schwingungen Luftteilchen lokal komprimieren. Dadurch wird der Luftdruck dort erhöht, woraufhin die komprimierten Teilchen mit Teilchen in der Umgebung in Kontakt kommen. Dadurch entsteht eine Kettenreaktion, in der die Energie kontinuierlich übertragen wird: Der Klang bewegt sich, bis er sich schließlich wieder beruhigt. Das ist übrigens auch gleich der Grund, warum Schall ein irdisches Phänomen ist. Wenn zwei Satelliten im Weltraum kollidieren und in Tausende von Stücken pulverisiert werden, ist kein Ton wahrnehmbar. Schließlich gibt es hier keine Luft oder ein anderes Medium, das die Wellen bewegen, geschweige denn Schallwellen erzeugen kann ...
Das erklärt auch die Funktionsweise eines Lautsprechers, der eigentlich nur ein Bauteil ist, das in Schwingung versetzt wird, oder besser gesagt, das in Schwingung versetzt wird. Diese Bewegungen führen dazu, dass sich auch die Luft um den Lautsprecher herum bewegt. Sie können das vielleicht am besten mit einem Kieselstein im Wasser vergleichen: Er erzeugt Wellen, die sich von der Quelle weg bewegen. Je größer diese Kreise werden, desto mehr Luftteilchen müssen sich die Energie des vorherigen Kreises teilen, so dass der Klang schließlich einen leisen Tod stirbt. Er tut dies mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 m/s, aber es ist nicht unlogisch, dass der Schall schwächer wird, je weiter Sie sich von der Schallquelle entfernen. Wenn Sie sich weit genug von der Schallquelle entfernen, wird der Schall schließlich unhörbar. Für den Menschen nicht mehr hörbar, denn einige Tiere hören einfach viel besser als wir.
Wie sieht eine Schallwelle aus?
Geräusche sehen, können wir nicht. Zumindest nicht ohne technische Hilfsmittel. Aber, wie das Wort schon sagt, besteht eine Schallwelle aus einer Welle. Eine solche Welle wiederum hat eine Wellenlänge und eine Amplitude. Wie oft eine solche Welle durchlaufen wird, nennt man dann ihre Frequenz. Diese Frequenz ist nicht unbedeutend: Das menschliche Ohr kann zum Beispiel eine minimale Frequenz von 20 und eine maximale Frequenz von 20.000 Hertz hören. Die Wellenlänge verhält sich übrigens umgekehrt proportional dazu: Bei einer Erhöhung der Frequenz wird die Wellenlänge kürzer (höherer Ton) und umgekehrt.
Die Amplitude wiederum ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Durchschnittswert des Drucks und dem Maximalwert des Drucks. Die daraus resultierende Stärke definieren wir mit dem bekannteren Begriff Dezibel. Auch dieser Begriff ist nicht unbedeutend: Ab 120 Dezibel treten bei kurzfristiger Belastung Hörschäden auf. Die Schmerzgrenze liegt jedoch bei 134 Dezibel: Das erklärt, warum Hörschäden auch unbemerkt auftreten können.
Schließlich haben wir bereits erwähnt, dass sich Klangeffekte genau wie Wasserwellen verhalten. Sie können sich zum Beispiel um ein Objekt herum biegen, abprallen, die Richtung ändern oder mit anderen Schallwellen in Kontakt kommen und sich dann gegenseitig verstärken oder auslöschen. Letzteres ist auch die Funktionsweise von speziellen Kopfhörern: Sie geben einen Ton ab, um andere Klangeffekte auszulöschen.
Die Schallgeschwindigkeit ist keine Konstante
Zuvor haben wir behauptet, dass die Schallgeschwindigkeit etwa 300 m/s beträgt. Das ist in der Tat nicht ganz richtig. Sie ist mehr oder weniger korrekt für Auslenkungen in Luft, aber Schall kann sich auch durch Feststoffe und Flüssigkeiten ausbreiten. Zum Beispiel beträgt die Schallgeschwindigkeit in Aluminium 6.260 m/s bei 293 Grad Kelvin (+/- Raumtemperatur) und 1120 m/s in Methanol bei einer ähnlichen Temperatur. In Kohlendioxid hingegen ist der Schall viel langsamer, mit einer Geschwindigkeit von 259 m/s bei 273 Grad Kelvin (+/- Gefrierpunkt).
Selbst in Luft ist die Aussage, dass die Schallgeschwindigkeit etwa 300 m/s beträgt, nicht ganz richtig. In der Tat verwendet man hier eine komplizierte Formel, um die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen.
Formel Speed Sound:√[γ(RT/M)]
Wir verzichten auf eine ausführliche Diskussion, aber denken Sie vor allem daran, dass Temperatur und Luftfeuchtigkeit hier eine wichtige Rolle spielen. Bei einer Temperatur von 233 Grad Kelvin (etwa - 40 °C) beträgt die Schallgeschwindigkeit in der Tat etwa 307 m/s, aber bei wärmeren 313 Grad Kelvin (etwa + 40 °C) steigt sie bereits auf viel höhere 354 m/s. In der Luft wird sich der Schall also schneller bewegen, wenn die Temperatur wärmer ist. In der Praxis breitet sich der Schall jedoch so schnell aus, dass dies nach einem Lawinenunglück sicherlich nicht Ihre größte Sorge sein muss.
Wenn wir schließlich über die Schallgeschwindigkeit im Wasser sprechen, wird die Formel noch komplizierter. Schließlich müssen wir hier nicht nur die Temperatur, sondern auch den Salzgehalt und die Wassertiefe berücksichtigen.
Lärm für Menschen und Tiere
Für das menschliche Ohr sind Schallschwingungen in einem Bereich von etwa 20 bis 20.000 Hertz (20 kHz) wahrnehmbar. Dies ist jedoch von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Vor allem älteren Menschen fällt es schwerer, Schallvibrationen bei hohen Frequenzen wahrzunehmen.
Fragen Sie sich, bis zu welcher Frequenz Sie wahrnehmen können? Spielen Sie das Video unten ab und finden Sie es heraus.
Die Bedeutung der Frequenz für Mensch und Tier
Wir kennen die untere Hörgrenze von 20 Hz vor allem als die Grenze bei Infraschall. Wir können solchen Infraschall nicht hören, aber manchmal können wir die Vibrationen spüren. Infraschall wird jedoch von einer Reihe von Tieren genutzt. Schließlich hilft er ihnen, über eine große Entfernung zu kommunizieren. Unter anderem nutzen Elefanten, Nashörner und Giraffen den Infraschall aus diesem Grund. Aber er kann auch einem anderen Zweck dienen. Einige Walarten verwenden Infraschall, um ihre Beute, hauptsächlich Tintenfische, zu lähmen.
Wenn die obere Hörschwelle (20 kHz) überschritten wird, spricht man von Ultraschall. Einige Tierarten nutzen Ultraschall, um sich zu orientieren (z.B. Fledermäuse) oder um Beute aufzuspüren (z.B. Delphine). Aber auch der Mensch hat sich eine Reihe von Anwendungen einfallen lassen. Eine wichtige Ultraschallanwendung ist die Ultraschalluntersuchung (Visualisierung von Unterschieden zwischen weichem und hartem Gewebe mittels Ultraschall). Ein weiteres Beispiel findet sich in der Zahnmedizin (Reinigung von Zahninstrumenten und Entfernung von Zahnstein). Für eine andere Ultraschallanwendung müssen wir allerdings schon in die Vergangenheit zurückgehen: In den 1970er Jahren haben wir damit zum Beispiel Fernsehgeräte bedient.
Schließlich gibt es noch eine letzte Kategorie von Lärm: Hyperschall. Dabei handelt es sich um Schall mit Frequenzen ab 800 MHz. Der Begriff wurde geprägt, weil der Mensch lange Zeit nicht in der Lage war, solche Schallfrequenzen zu erzeugen. Heute ist dies dank des piezoelektrischen Effekts kein Hindernis mehr. Er wird unter anderem zur Untersuchung von Festkörpern verwendet.
Die Bedeutung des Lärmpegels für Menschen und Tiere
Nicht nur die Schallfrequenz spielt eine Rolle, sondern auch der Schallpegel (dB). Im Prinzip kann ein Mensch auch einen Schallpegel zwischen 0 und 130 dB hören, aber das ist nicht immer der Fall. In diesem Fall sprechen wir von lärmbedingter Taubheit. Bei einem Hörverlust von 30 bis 60 dB wird man in der Regel ein Hörgerät benutzen. Zum Vergleich: Das Rascheln von Blättern hat einen Schallpegel von ca. 10 dB, während ein Fernseher in Höhe des Wohnzimmers (+/- 1 Meter entfernt) einen Schallpegel von ca. 60 dB hat.
Abgesehen davon sollten wir auch die unangenehme Natur von lauten Geräuschen berücksichtigen. In der Tat treten bereits ab 90 dB bei längerer Exposition Hörschäden auf. Das ist ungefähr der Lärm, den Sie erleben, wenn Sie neben einer Autobahn stehen. In einer Diskothek wiederum wird ein Lärmpegel von 100 dB erreicht, was dem Geräusch eines Presslufthammers in einem Meter Entfernung entspricht. Hier wird der maximale Dezibelwert für langfristige Belastung überschritten: Achten Sie also auf Festivalwochenenden, an denen Sie ununterbrochen hohen Lärmpegeln ausgesetzt sind.
Ab einer maximalen Dezibelzahl von 120 dB treten dann bei kurzzeitiger Belastung wieder Hörschäden auf. Das entspricht ungefähr dem Geräusch eines Düsentriebwerks in +/- 100 Metern Entfernung. Schließlich liegt die Schmerzgrenze bei 134 dB und damit unter dem Geräusch, das wir bei einem Gewehrschuss in einem Meter Entfernung wahrnehmen. In solchen Fällen treten ohne Schutzvorrichtungen fast immer Hörschäden auf.
Verschiedene Anwendungen von Sound
Klang wird von Menschen nicht nur zum Erleben von Musik verwendet. Er ist zum Beispiel auch sehr wichtig für die gegenseitige Kommunikation. Doch die Zahl der (potenziellen) Anwendungen ist viel umfangreicher als das. Das zeigt sich unter anderem am Beispiel des bereits erwähnten Ultraschalls. Wenn wir die Schallgeschwindigkeit oder andere Eigenschaften kennen, können wir in der Tat eine Menge feststellen. Vorhin haben wir zum Beispiel erwähnt, dass wir die Schallgeschwindigkeit im Wasser berechnen können. Wenn wir einen Schallimpuls unter Wasser aussenden und die Zeit bis zur Reflexion des Impulses messen, können wir die Entfernung zu einem Objekt oder dem Meeresboden berechnen. Mit anderen Worten: Schall ist mehr als ein musikalisches Geschenk, ein Kommunikationsmittel oder ein Warnsignal: Er ist ein integraler Bestandteil unseres heutigen technischen Wissens.
Die hörbare Natur des Klangs
All dies bringt uns schließlich wieder zu diesen beiden magischen Grenzen zurück: 20 Hz und 20 kHz. Schließlich ist der Klang zwischen diesen beiden Grenzen für uns die "greifbarste" Form des Klangs. Es ist die Autohupe, aber es ist auch die Neunte Symphonie in d-Moll. Es ist Klang in seiner engsten Form: Klang, der einfach von Menschen wahrgenommen werden kann. Letztlich bleibt die Frage, wie wir diesen Klang nun wahrnehmen können.
Tatsächlich ist es die Ohrmuschel, die die Schallschwingungen aufnimmt und sie durch den Gehörgang zum Trommelfell leitet. Im Trommelfell wird der Schall an die Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss und Steigbügel) weitergeleitet, die als Verstärker fungieren. Als nächstes bewegt sich die Flüssigkeit in der Cochlea, wodurch die Haarzellen in Bewegung geraten. Diese Bewegungen erregen schließlich die Nervenenden, mit denen eine Verbindung zum Hirnstamm besteht. Das Gehirn "übersetzt" dann die eingehenden Reize und leitet sie an den Thalamus weiter. Dieser Teil des Gehirns verarbeitet auch die Informationen aus dem, was wir sehen oder fühlen, und interpretiert die "übersetzten Informationen". Schließlich wird diese Interpretation an die Großhirnrinde weitergeleitet.
In der Großhirnrinde kommt der hörbare Klang am Ende seiner Reise an. Hier erhält er eine Bedeutung. Er verknüpft ihn mit unseren Erinnerungen. Sie hilft uns, Geräusche wiederzuerkennen: die Stimme einer Mutter oder das Geräusch eines herannahenden Zuges. Diese Erinnerungen können auch Gefühle auslösen. Wenn wir zum Beispiel die Stimme eines Verstorbenen hören, kann das Niedergeschlagenheit oder Freude auslösen, auch wenn wir die Stimme nicht erkennen oder uns mit ihr beschäftigen. So wie der Klang ein Wunder ist, ist es auch unser Gehirn. Das ist auch der Grund, warum wir Klänge so sehr lieben und berühmte Musiker ein reiches Leben führen können.
Dem Klang mehr Bedeutung zu geben, ist Teil dessen, was Menschen menschlich macht.
