Wenn die meisten Menschen das Wort Welle hören, stellen sie sich den Ozean vor - rollende Wellen, krachende Brandung, vielleicht sogar ein Surfer, der auf spektakuläre Weise untergeht. Aber in der Welt der Musik und des Klangs funktionieren Wellen ein wenig anders.

Das soll nicht heißen, dass Meereswellen und Schallwellen nicht viele Gemeinsamkeiten haben. Beide bewegen sich durch den Raum, übertragen Energie und können in ihrer Größe und Geschwindigkeit gemessen werden.

Der große Unterschied besteht natürlich darin, dass Ozeanwellen sich durch Wasser bewegen, während Schallwellen sich durch die Luft (oder ein anderes Material, das sie gerade durchqueren) bewegen. Und während die Bewegung von Meereswellen leicht zu erkennen ist, sind Schallwellen etwas komplexer und arbeiten im mikroskopischen Bereich.

Zu wissen, wie sich diese Wellen verhalten, kann für jeden, der mit Klang arbeitet, von großem Nutzen sein, egal ob Sie Tontechniker, Studiobauer oder Entwickler von akustischen Maßnahmen sind. Also lassen Sie uns das Ganze auf die einfachste Art und Weise aufschlüsseln!

Was ist eine Schallwelle?

Im Grunde ist eine Schallwelle nur eine Schwingung, die sich durch die Luft (oder Wasser oder einen Festkörper) bewegt. Er ist der Grund, warum wir alles hören, von Musik über Stimmen bis hin zu Geräuschen in der Nacht!

Wir beschreiben Schallwellen anhand einiger wichtiger Merkmale, z. B. wie schnell sie sich bewegen (Frequenz), wie groß sie sind (Amplitude) und wie sie sich mit der Zeit verändern. Doch bevor wir uns all dem widmen, ist es wichtig zu verstehen, dass Schallwellen eine besondere Art von Wellen sind, nämlich Longitudinalwellen.

Im Gegensatz zu Meereswellen, die sich auf und ab bewegen, während sie sich vorwärts bewegen, schiebt und zieht eine Longitudinalwelle die Luft in dieselbe Richtung, in die sie sich bewegt.

Um sich die Funktionsweise einer Longitudinalwelle vorzustellen, denken Sie an eine lange Reihe von Menschen, die alle Schulter an Schulter stehen. Wenn sich die erste Person nach vorne lehnt und mit der nächsten zusammenstößt und diese Person das Gleiche mit der nächsten macht, kommt es zu einer Kettenreaktion, genau wie Luftmoleküle, die auf einen Ton reagieren. Diese Hin- und Herbewegung ist der Grund, warum Schall oft als Druckwelle bezeichnet wird.

Wenn wir in der Musik und im täglichen Leben von Schallwellen sprechen, meinen wir eigentlich Schalldruckwellen. Diese Schallwellen liegen im Bereich des menschlichen Gehörs, der etwa zwischen 20 Hz und 20.000 Hz liegt. Unterhalb der vom menschlichen Ohr wahrgenommenen Töne liegt der Infraschallbereich, der für uns zu leise ist, aber z. B. zum Aufspüren von Erdbeben und Elefanten nützlich ist (ja, Sie haben richtig gelesen). Oberhalb der Reichweite des menschlichen Ohrs liegt der Ultraschall, den wir für alles Mögliche verwenden, von der medizinischen Bildgebung bis zur Reinigung von Schmuck. Darauf kommen wir gleich zurück.

Neben der Musik gibt es mehrere Branchen, in denen Schallwellen eine große Rolle spielen. Sie helfen Ärzten, das Innere des menschlichen Körpers zu sehen, und ermöglichen U-Booten die Navigation unter Wasser. Aber für uns als Musiker und Produzenten sind diese Wellen die Grundlage für alles, womit wir arbeiten, und je besser wir sie verstehen, desto mehr Kontrolle haben wir über unseren Sound.

Was sind die Bestandteile einer Schallwelle?

Schallwellen mögen wie dunkle Magie erscheinen, aber wie alles andere in der Physik folgen auch sie einer Reihe von Regeln. Jeder Ton, den wir hören, hat bestimmte Eigenschaften, die sein Verhalten bestimmen, und es gibt eine Handvoll Schlüsselkomponenten, die die Schallwellen formen.

Frequenz

Die Frequenz ist einer der wichtigsten Faktoren, die beeinflussen, wie wir Schall hören. Vereinfacht ausgedrückt, gibt sie an, wie schnell eine Schallwelle schwingt. Wir messen sie in Hertz (Hz), was uns sagt, wie oft die Welle in einer Sekunde zirkuliert.

Je schneller die Schwingung, desto höher die Frequenz. Und die Frequenz bestimmt die Tonhöhe. Ein mittleres C auf einem Klavier hat beispielsweise eine Frequenz von etwa 261,6 Hz, was bedeutet, dass die Luft mit dieser Geschwindigkeit pro Sekunde schwingt, um die Note zu erzeugen. Eine tiefe Bassnote liegt vielleicht bei 60 Hz, und eine schrille Hundepfeife kann über 20.000 Hz erreichen (was praktischerweise der Punkt ist, an dem das menschliche Gehör versagt).

Wellenlänge

Die Wellenlänge (λ) ist die Größe einer Schallwelle, d. h. die Entfernung, die sie in einem vollständigen Zyklus zurücklegt. Wenn man eine Schallwelle einfrieren und vor sich ausbreiten würde, wäre die Wellenlänge die Entfernung von einer Spitze zur nächsten.

Um das herauszufinden, gibt es eine einfache Formel:

λ=c/f

Das bedeutet Folgendes:

• λ (Wellenlänge): Die Länge eines vollen Zyklus der Welle
• c (Schallgeschwindigkeit): Wie schnell sich der Schall durch die Luft bewegt (etwa 343 Meter pro Sekunde bei Raumtemperatur)
• f (Frequenz): Wie schnell die Welle schwingt, gemessen in Hertz

Wenn Sie also einen 100-Hz-Ton haben, können Sie ihn einstecken:

λ = 343/100 = 3,43 Meter

Das heißt, die Welle ist über 3 Meter lang!

Vergleichen wir dies nun mit einem 1.000-Hz-Ton:

λ = 343/1000 = 0,343 Meter

Wie Sie sehen können, haben höhere Frequenzen kürzere Wellenlängen, weshalb Bässe (tiefe Frequenzen) groß und breit wirken, während Höhen (hohe Frequenzen) fokussierter und gerichteter sind.

Dies ist auch der Grund, warum tiefe Töne durch Wände dringen können, während höhere Töne eher absorbiert oder reflektiert werden.

Amplitude

Die Amplitude gibt die Stärke oder Lautstärke eines Tons an. Sie ist der Teil einer Schallwelle, der sie laut oder leise macht. Technisch gesehen gibt sie an, wie weit die Luftteilchen beim Durchgang einer Schallwelle aus ihrer Ruheposition gedrückt werden. Je größer die Bewegung, desto stärker die Welle und desto lauter der Ton.

Stellen Sie sich das so vor: Wenn Sie eine Trommel sanft anschlagen, bewegt sich die Luft kaum, und Sie erhalten einen leisen Ton. Wenn Sie die Trommel jedoch mit Kraft anschlagen, komprimiert und dehnt sich die Luft viel stärker aus, was lautere Töne erzeugt.

Das ist Amplitude in Aktion.

In einer Wellenform ist die Amplitude die Höhe der Welle. Höhere Wellen bedeuten eine höhere Amplitude, die wir als mehr Lautstärke wahrnehmen. Kleinere Wellen bedeuten eine geringere Amplitude, die wir als leiseres Geräusch wahrnehmen.

Neben der Lautstärke spielt die Amplitude jedoch auch eine Rolle dabei, wie der Klang mit dem Raum interagiert, wie er sich physisch anfühlt und sogar wie er in der Musik emotional wahrgenommen wird.

Geschwindigkeit

Wenn wir über die Geschwindigkeit des Schalls sprechen (und nicht über einen der besten Songs von Coldplay), geht es darum, wie schnell sich Schallwellen durch ein Medium bewegen. Im Gegensatz zum Licht, das mit schwer vorstellbaren Geschwindigkeiten durch den Raum saust, braucht der Schall etwas, durch das er sich ausbreiten kann. Das kann Luft, Wasser, Metall oder etwas anderes sein. Und je nachdem, was dieses Etwas ist, ändert sich die Geschwindigkeit des Schalls.

In Luft (bei Raumtemperatur) bewegt sich der Schall mit etwa 343 Metern pro Sekunde. Wenn Sie jedoch unter Wasser schreien, bewegt sich der Schall viermal schneller als in der Luft. Und wenn man auf ein Metallrohr klopft, schießt die Vibration noch schneller durch das Metall.

Wie kommt es also dazu?

Es kommt darauf an, wie dicht gepackt die Moleküle in den verschiedenen Materialien sind. In Gasen wie Luft sind die Moleküle ziemlich weit auseinander, so dass es länger dauert, bis die Welle durchkommt. In Flüssigkeiten liegen die Moleküle näher beieinander, so dass sich der Schall schneller bewegt. In Festkörpern, wo die Moleküle dicht gepackt sind, bewegt sich der Schall am schnellsten.

Wenn Sie Ihr Ohr an ein Bahngleis halten (was ich nicht empfehle), hören Sie deshalb einen entgegenkommenden Zug, lange bevor der Schall Sie über die Luft erreicht. Das ist auch der Grund, warum sich Schall in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich verhält (z. B. klingt Ihre Stimme in einem dichten Nebel seltsam gedämpft, da die zusätzliche Feuchtigkeit in der Luft die Geschwindigkeit und Absorption der Schallwellen verändert).

Intensität

Während die Amplitude angibt, wie groß eine Schallwelle ist, sagt die Intensität aus, wie stark sie ist. Genauer gesagt, ist die Intensität die Menge an Energie, die eine Schallwelle pro Flächeneinheit überträgt, und wir messen sie in Watt pro Quadratmeter (W/m²).

Stellen Sie sich das wie eine Taschenlampe vor. Eine schwache Taschenlampe verteilt eine geringe Energiemenge über einen Bereich, während eine leistungsstarke Taschenlampe eine große Menge Licht in denselben Raum bläst. Schall funktioniert auf die gleiche Weise. Je mehr Energie in einer Welle steckt, desto intensiver ist sie.

Die Intensität ist wichtig, weil sie eine große Rolle dabei spielt, wie wir die Lautstärke wahrnehmen. Während die Amplitude die Höhe der Welle angibt, sagt die Intensität aus, wie viel Energie insgesamt abgegeben wird. Ein winziger Lautsprecher und ein Stadionsystem können beide an einem einzigen Punkt die gleiche Amplitude erzeugen, aber das Stadionsystem verteilt diese Energie über einen viel größeren Bereich und ist damit viel intensiver.

Das ist auch der Grund, warum die Entfernung einen Einfluss darauf hat, wie laut etwas klingt. Wenn sich eine Schallwelle ausbreitet, nimmt ihre Intensität ab, weil sich die Energie auf einen größeren Raum verteilt. Aus diesem Grund klingt ein Konzert in der Nähe der Lautsprecher ohrenbetäubend, wird aber schwächer, je weiter man sich zurückzieht.

Phase

Die Phase betrachtet das Timing einer Welle. Sie gibt an, wo sich eine Schallwelle in ihrem Zyklus zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Wenn man eine Wellenform einfrieren und auf einen bestimmten Punkt darauf zeigen könnte, würde man ihre Phase identifizieren.

Wir messen die Phase in Grad, wobei ein vollständiger Wellenzyklus 360° beträgt. Eine Welle bei 0° oder 360° befindet sich an ihrem Ausgangspunkt, während 180° bedeutet, dass sie sich auf halbem Weg befindet und auf den Kopf gestellt wurde.

Wenn mehrere Schallwellen aufeinander treffen, bestimmen ihre Phasen, ob sie zusammen oder gegeneinander wirken.

Wenn zwei identische Wellen in Phase sind (an denselben Punkten aufgereiht), verstärken sie sich gegenseitig und machen den Klang stärker. Sind sie jedoch phasenverschoben, d. h. die Spitze der einen Welle trifft auf die Senke der anderen, heben sie sich teilweise oder vollständig auf, was den Klang abschwächen oder sogar auslöschen kann.

Phasenauslöschungen sind der Fluch eines jeden Tontechnikers. Wenn Sie zum Beispiel schon einmal ein Schlagzeug aufgenommen haben und festgestellt haben, dass die Snare seltsam dünn klingt, könnte die Phasenauslöschung zwischen den Mikrofonen der Grund dafür sein. Das ist auch der Grund, warum das Umdrehen der Phase an einem Mischpult oder einer DAW einen Sound manchmal wieder zum Leben erwecken kann.

Wir haben einen ganzen Blog darüber, warum Phasen in der Musik wichtig sind, den ich Ihnen empfehle, wenn Sie mehr erfahren möchten.

Verschiedene Arten von Schallwellen aufgrund ihrer Ausbreitung

Es ist wichtig zu wissen, dass sich nicht alle Schallwellen auf die gleiche Weise bewegen. Sie übertragen zwar alle Energie durch ein Medium, aber die Art und Weise, wie sie sich ausbreiten (ein schicker Begriff für die Ausbreitung von Schallwellen), kann je nach Situation unterschiedlich sein.

Ausbreitung ist die Art und Weise, wie sich eine Welle durch den Raum bewegt. Einige Wellen schieben und ziehen in dieselbe Richtung, während andere sich auf und ab bewegen oder sich in komplexen Mustern ausbreiten.

Im Folgenden werden die wichtigsten Arten von Schallwellen nach ihrer Bewegungsart unterschieden und erläutert, warum dies wichtig ist.

Longitudinal-Wellen

Longitudinalwellen sind das gängige Format für Schallwellen im Alltag. Sie sind dadurch definiert, wie sie sich bewegen. Die Luftteilchen schwingen in der gleichen Richtung hin und her, in der sich die Welle ausbreitet.

Ich stelle mir gerne vor, wie ich das eine Ende eines Slinkys nach vorne schiebe und das andere zurückziehe und sehe, wie sich die Spulen in bestimmten Abschnitten zusammenziehen und ausbreiten. Im Wesentlichen bewegen sich Longitudinalwellen durch Bereiche der Kompression (in denen Teilchen zusammengeschoben werden) und der Verdünnung (in denen sich Teilchen ausbreiten). Durch diesen ständigen Zyklus von Druck und Zug bewegt sich der Schall durch die Luft und erreicht unsere Ohren.

Wir hören Longitudinalwellen in Luft und Wasser, da diese Materialien nicht die Struktur haben, um andere Arten der Wellenbewegung zu unterstützen. Aber sie breiten sich auch in Festkörpern aus.

Da diese Wellen für fast alle Klänge, die wir hören, verantwortlich sind, bilden sie das Herzstück der Musik, von der Vibration einer Gitarrensaite bis zum knackigen Schlag einer Hi-Hat.

Transversale Wellen

Transversalwellen bewegen sich ein wenig anders als ihre longitudinalen Vettern. Anstatt dass die Teilchen in der gleichen Richtung wie die Welle hin- und herschwingen, bewegen sich Transversalwellen senkrecht zum Laufweg der Welle, d. h. die Energie bewegt sich vorwärts, aber die Teilchen bewegen sich auf und ab.

Eine gute Möglichkeit, sich dies vorzustellen, ist das Schütteln eines Seils. Wenn Sie ein Ende festhalten und es auf und ab bewegen, sehen Sie, wie sich die Wellen entlang des Seils bewegen, aber das Material des Seils bewegt sich von einer Seite zur anderen und nicht entlang der Wellenlänge. So verhalten sich Transversalwellen.

Der entscheidende Unterschied ist, dass Transversalwellen nur in Festkörpern auftreten. Das liegt daran, dass Festkörper die notwendige starre Struktur haben, um die Auf- und Abwärtsbewegung zu unterstützen. Flüssigkeiten und Gase haben diese Art von innerem Widerstand nicht.

Auch wenn sie nicht dazu gehören, wie wir Schall hören, spielen Transversalwellen eine große Rolle beim Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Materialien in unserer Umgebung. Sie zeigen sich in seismischen Aktivitäten, Vibrationen in festen Strukturen und sogar in der Resonanz von Instrumenten. Wenn Sie jemals gespürt haben, wie der Korpus einer akustischen Gitarre vibriert, wenn Sie einen Ton spielen, haben Sie Transversalwellen in Aktion erlebt.

Oberflächenwellen

Oberflächenwellen sind das Beste aus beiden Welten, denn sie kombinieren die Elemente von Longitudinal- und Transversalwellen. Anstatt sich nur hin und her oder auf und ab zu bewegen, erzeugen Oberflächenwellen eine eher kreisförmige oder rollende Bewegung, wenn sie sich entlang der Grenze zwischen zwei verschiedenen Materialien bewegen.

Um auf die Meereswellen zurückzukommen : Wenn eine Welle auf das Ufer zurollt, bewegt sich das Wasser in einem Schleifenmuster. Partikel nahe der Oberfläche bewegen sich in größeren Kreisen, während die tieferen sich weniger bewegen. Das gleiche Prinzip gilt für Oberflächenwellen in anderen Materialien, einschließlich einiger Fälle, in denen Schall mit festen Oberflächen interagiert.

Das Wichtigste bei Oberflächenwellen ist, dass ihre Energie mit der Tiefe abnimmt. Je weiter man sich von der Oberfläche entfernt, desto geringer wird die Bewegung der Welle. Deshalb spüren Tiefseetaucher nicht dieselbe Bewegung, die die Boote an der Oberfläche herumwirbelt.

Unterschiedliche Arten von Schallwellen je nach Frequenz

Einige Schallwellen können wir hören, während andere völlig außerhalb unserer Reichweite liegen. Je nach Frequenz werden Schallwellen in drei Hauptkategorien unterteilt:

• Hörbare Schallwellen: Dies sind die Frequenzen, die der Mensch tatsächlich hören kann. Alles von 20 Hz bis 20 kHz fällt in diesen Bereich. Mit zunehmendem Alter sinkt die Obergrenze, weshalb einige hochfrequente Töne nur von jüngeren Ohren wahrgenommen werden (Sie erinnern sich wahrscheinlich an Ihre Klassenkameraden, die im Unterricht diese nervigen Mücken-Apps abspielten, weil die Lehrerin sie nicht hören konnte)
• Infraschall: Dabei handelt es sich um ultratiefe Frequenzen unter 20 Hz, die für das menschliche Gehör zu tief liegen, aber dennoch sehr real und kraftvoll sind. Infraschall wird zur Erkennung von Erdbeben, zur Überwachung vulkanischer Aktivitäten und sogar zur Tierkommunikation eingesetzt . Elefanten zum Beispiel nutzen Infraschall, um sich über große Entfernungen zu verständigen. Einige Forscher bringen Infraschall sogar mit Gefühlen des Unbehagens in Verbindung, was diese "Ich schwöre, ich habe gerade einen Geist gesehen"-Momente erklären könnte.
• Ultraschall: Diese hochfrequenten Schallwellen über 20 kHz liegen jenseits dessen, was der Mensch hören kann, aber sie haben zahlreiche praktische Anwendungen. Medizinische Bildgebung (Ultraschall-Scans), Sonartechnik und sogar einige Schädlingsbekämpfungsmittel beruhen auf Ultraschall. Einige Tiere, wie Fledermäuse und Delfine, nutzen sie zur Echoortung, um auf eine Weise zu "sehen", die sich unserer Wahrnehmung entzieht.

Abschließende Überlegungen zu Sound Waves

Was können Sie also mit all diesen neu gewonnenen Informationen über Schallwellen anfangen?

Zunächst einmal gibt Ihnen das Verständnis von Schallwellen mehr Kontrolle über Ihre Musikproduktion, Abmischung, Aufnahme und sogar Live-Sound-Setups. Ganz gleich, ob Sie einen Equalizer einstellen und versuchen, die Frequenz der Wellen herauszufinden, die Sie hören, oder ob Sie Mikrofone platzieren und versuchen, die Phase zu vermeiden - wenn Sie wissen, wie sich Schall bewegt, können Sie bessere Entscheidungen treffen.

Lust auf ein lustiges Schallwellenexperiment?

Versuchen Sie Folgendes: Nehmen Sie einen Lautsprecher, spielen Sie eine niederfrequente Sinuswelle (etwa 50-100 Hz) ab und halten Sie Ihre Hand in die Nähe des Lautsprechers. Spüren Sie diese Vibration? Spielen Sie nun eine hochfrequente Sinuswelle (5.000 Hz oder mehr). Merken Sie, wie die Schwingungen abklingen? Das sind Wellenlänge und Frequenz in Aktion. Je niedriger die Frequenz ist, desto länger ist die Wellenlänge, und desto mehr bewegt sie sich durch die Luft, so dass Sie sie körperlich spüren können.

Letztendlich sind Schallwellen nicht nur Teil einer abstrakten Wissenschaft. Sie prägen alles, was wir in der Musik hören und fühlen. Und je mehr man sie versteht, desto mehr kann man sie nach seinem Willen formen.