Schalldruck

Dieser Text beschreibt Schalldruck.

Der Schalldruck (auch einfach: Druck) (Formelzeichen p von engl.: pressure) ist in der Akustik die wichtigste lineare Schallfeldgröße.

Man bezeichnet die Druckschwankungen eines kompressiblen Schallübertragungsmediums (natürlich üblicherweise Luft), die bei der Ausbreitung von Schall auftreten, Schalldruck. Allein diese Schalldruckschwankungen können vom Trommelfell als Sensor in Bewegungen zur Hörempfindung umgesetzt werden. Wenn es sich um hörbaren Schall handelt, können diese Bewegungen dann durch das Innenohr (Gehör-Hirn-System) wahrgenommen werden.

Der Schalldruck p ist also der Verdichtungswechseldruck (eine Wechselgröße), der dem statischen Druck (Luftdruck) des umgebenden Mediums überlagert ist und der üblicherweise als Effektivwert angegeben wird. Häufig findet man in Büchern das gemeinte Klein-p des Schalldrucks (pressure) als Groß-P, welches Schallleistung (power) bedeutet, unrichtig gedruckt vor.

,

Der Schalldruck p ist also Kraft F (force) durch Fläche A (area).

Die SI-Einheit des Drucks ist das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Ein Pascal entspricht einem Druck von einem Newton pro Quadratmeter:

Die Amplitude des Schalldrucks nimmt in dem Freifeld (Direktfeld) und in dem Diffusfeld (Raumschallfeld) mit 1/r der Entfernung von einer punktförmigen Schallquelle ab. In dem Diffusfeld wird diese Abnahme scheinbar verringert, weil sie von den überlagernden Reflexionen gestört wird. Die Entfernung von der Schallquelle, bei dem eine Gleichheit von Direktschall D zu Raumschall R, also das Verhältnis D/R = 1 ist, wird Hallradius genannt.

Für Zahlenwertangaben des Schalldrucks wird der Effektivwert angegeben. Als Messgröße für den Druck wird in der Akustik üblicherweise der Schalldruckpegel L_p in dB benutzt. Die häufig vorkommende Angabe eines Schalldruckwerts ohne die gleichzeitige Angabe der Mess-Entfernung ist nutzlos.

Handelt es sich beim Schall um einen Ton, also eine Sinus-Schwingung mit ca. einer Frequenz f, so ergibt sich:

,

wobei p die Schalldruckamplitude und ω die Kreisfrequenz ist.

Sind mehrere Frequenzen gemischt (Töne) und stehen die Frequenzen in einem festen Verhältnis miteinander, so spricht man von einem Klang, ändert sich das Verhältnis der Frequenzen ständig, so spricht man von einem Geräusch.

Die sozusagen komplementäre Größe zu dem Schalldruck ist die (wechselnde) Geschwindigkeit, mit der sich die Luft-Moleküle um ihre Ruhelage hin- und herbewegen. Diese wird mit Schallschnelle oder Geschwindigkeitsamplitude genannt. Weiter gehört zu den Schallgrößen die Schallkennimpedanz Z des Mediums in N·s/m³.

Anmerkung: Nicht zu verwechseln ist der Schalldruck p (in Pa = N/m²) als lineare Schallfeldgröße mit der Schallintensität J (in Watt/m²) als quadratische Schallenergiegröße. Von der Intensität eines Drucks zu sprechen ist physikalisch nicht sinnvoll, da Intensität und Druck unterschiedliche Messgrößen sind.
In der Umgangssprache werden "Stärke", "Größe", "Amplitude" oder "Pegel" auch mit "Intensität" genannt, in der Akustik sind dieses aber unterschiedliche Größen. Die Intensität ist aber hier eine Schallenergiegröße.

Der Schalldruck p in m/s ist für ebene fortschreitende Schallwellen:

in der Einheit N/m² = Pa (Pascal).

Die Schallauslenkung ξ in m ist durch folgende Formel mit dem Schalldruck verbunden:

Damit ist ist der Schalldruck:

Zusätzlich ist der Schalldruck p:

Hierbei ist:
Schallkennimpedanz Z in N·s/m³
Schallschnelle v in m/s
Frequenz f in Hz
Kreisfrequenz
Dichte der Luft (des Mediums) = Luftdichte ρ in kg/m³
Schallgeschwindigkeit c in m/s
Auslenkung der Luftteilchen ξ in m
ξ ist der griechische Buchstabe xi, gesprochen ksi
Akustische Impedanz = Schallkennimpedanz =
Schallbeschleunigung a in m/s²
Schallenergiedichte E oder w in W·s/m³
Schallleistung P_ak in W
Durchströmte Fläche A in m²