Schalldruck

Schallgrößen

Der Schalldruck oder Schallwechseldruck, Formelzeichen p (engl. „pressure“ – Druck), ist in der Tontechnik und in der Akustik die wichtigste Schallfeldgröße. Die SI-Einheit des Schalldrucks ist – wie die des Luftdrucks – das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Der gemessene Effektivwert des Schalldrucks geht in den in dB angegebenen Schalldruckpegel ein.

Definition

Als Schalldruck werden die Druckschwankungen eines kompressiblen Schallübertragungsmediums (üblicherweise Luft) bezeichnet, die bei der Ausbreitung von Schall auftreten. Diese Druckschwankungen werden vom Trommelfell als Sensor in Bewegungen zur Hörempfindung umgesetzt.

Der Schalldruck p ist der Wechseldruck (eine Wechselgröße), der dem statischen Druck p0 (i. d. R. dem Luftdruck) überlagert ist. Hierbei ist der Schallwechseldruck

mit der auf die Fläche A wirkenden Kraft F je Flächeninhalt von A.

Für den gesamten Druck pges gilt somit:

Der Schalldruck p (Schallwechseldruck) ist in der Regel um viele Größenordnungen kleiner als der statische Luftdruck. Da ein Druck mit keiner Richtungsangabe verknüpft werden kann, handelt es sich um eine skalare Größe. Der Schalldruck in Abhängigkeit von den Koordinaten im dreidimensionalen Raum ist aus mathematischer Sicht somit ein Skalarfeld.

Weiterhin ist bei sinusförmigen Signalen die Angabe als Effektivwert

üblich. Die Schalldruckamplitude ist dagegen der Scheitelwert (Spitzenwert) des Schalldrucks.

Handelt es sich beim Schall um einen Ton, also eine harmonische Schwingung (oft auch als „Sinus-Schwingung“ bezeichnet) mit nur einer Frequenz , so gilt für die Zeitabhängigkeit des Schalldrucks:

wobei die Schalldruckamplitude und ω die Kreisfrequenz ist.

Abstandsabhängigkeit

Der Effektivwert des Schalldrucks verhält sich im Freifeld umgekehrt proportional zur Entfernung r von einer (punktförmigen) Schallquelle (1/r-Gesetz, Abstandsgesetz):

= Schalldruck im Abstand
= Schalldruck im Abstand

(Anmerkung: Die quadratischen Schallenergiegrößen, wie z. B. die Schallintensität, nehmen bei punktförmigen Schallquellen mit 1/r2 über der Entfernung ab.) Wie man hier erkennen kann, ist zur Beurteilung der Stärke einer Schallquelle neben der Angabe des gemessenen Schalldrucks unbedingt die Angabe der Lage des Messpunkts als Abstand r von der Schallquelle notwendig.

In halliger Umgebung gilt das 1/r-Gesetz nur eingeschränkt:

  • Im Direktfeld der Schallquelle, also im Freien und wo der Direktschall D den Raumschall R überwiegt, gilt das 1/r-Gesetz.
  • Außerhalb des unmittelbaren Direktfelds, wo die Reflexionen einen Einfluss auf den Gesamtschalldruck bekommen, gilt das 1/r-Gesetz nur eingeschränkt.
  • Außerhalb des Hallradius rH, das ist die Entfernung von der Schallquelle, bei der der Direktschall D genau so stark ist wie der Raumschall R, bleibt der Schalldruck mit zunehmendem Abstand von der Schallquelle im Wesentlichen konstant, da er hier vor allem von den Reflexionen der Wände bestimmt wird.

Zusammenhang mit anderen akustischen Größen

In einer ebenen Welle ist der Schalldruck mit den akustischen Größen Schallkennimpedanz , Schallleistung , Schallschnelle und Schallintensität folgendermaßen verknüpft:

.

Hierbei ist:

SymbolEinheitenBedeutung
PaSchalldruck
HzFrequenz
mSchallauslenkung
m/sSchallgeschwindigkeit
m/sSchallschnelle
1/sKreisfrequenz
kg/m3Luftdichte (Dichte des Mediums)
N·s/m3Schallkennimpedanz, Akustische Feldimpedanz
m/s2Schallbeschleunigung
W/m2Schallintensität
s/m3Schallenergiedichte
WSchallleistung
m2Durchschallte Fläche

Tabelle: Schalldruck und Schalldruckpegel diverser Schallquellen

Schalldruck in Luft

Zum Vergleich
statischer Luftdruck auf Meereshöhe: ca. 100 kPa
Schallquelle und Situation
(Entfernung)
Schalldruck
(Effektivwert)
(in Pascal)
Schalldruck-
pegel Lp
dB re 20 µPa
M1 Garand-Gewehr (1 m)5000168
Strahlflugzeug (30 m)600150
Schmerzschwelle100134
Gehörschäden bei kurzfristiger Einwirkung20ab 120
Strahlflugzeug (100 m)6 ... 200110 ... 140
Presslufthammer (1 m); Diskothek2100
Gehörschäden bei langfristiger Einwirkung
mehr als 8 Stunden täglich
0,6ab 90
Hauptverkehrsstraße (10 m)0,2 ... 0,680 ... 90
Pkw (10 m)0,02 ... 0,260 ... 80
Fernseher in Zimmerlautstärke (1 m)0,02ca. 60
normale Unterhaltung (1 m)2 ... 6·10−340 ... 50
sehr ruhiges Zimmer2 ... 6·10−420 ... 30
Blätterrauschen, ruhiges Atmen6·10−510
Hörschwelle bei 1 kHz2·10−50

Schalldruck in Wasser

Zum Vergleich
statischer Druck in Meereshöhe an der Wasseroberfläche: ca. 100 kPa
in 100 m Wassertiefe: ca. 1100 kPa
in 5 km Wassertiefe: ca. 51100 kPa
Schallquelle und Situation
(Entfernung)
Schalldruck
(in Pascal)
Schalldruck-
pegel Lp
dB re 1 µPa
militärisches Sonar (1 m)106240
Hörschwelle eines Tauchers bei 1 kHz2,2·10−367

Literatur

  • Gerhard Müller, Michael Möser: Taschenbuch der Technischen Akustik. 3. überarb. Auflage. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-41242-5
  • Hans Breuer: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. dtv, München 1996, ISBN 3-423-03226-X
  • Ivar Veit: Technische Akustik. Vogel-Verlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3013-2
  • Heinrich Kuttruff: Akustik. Hirzel, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8

Weblinks