Akustik

Was ist Schall, wie breitet er sich aus?

Akustik ist die Lehre vom Schall. Aber was genau ist Schall? Klopf mal auf den Tisch oder ruf laut „Hallo“ in einen leeren Raum – das Geräusch, das du hörst, entsteht durch Schallwellen. Schall ist eine Schwingung, die sich wie eine Welle in einem Medium (meist Luft) ausbreitet. Wenn z.B. ein Lautsprecher Musik spielt oder du in die Hände klatschst, versetzt das die umgebende Luft in Vibration. Diese Schallwellen breiten sich vom Entstehungsort nach allen Richtungen hin aus – vergleichbar mit den kreisförmigen Wellen auf einer Wasseroberfläche, wenn du einen Stein ins Wasser wirfst. Unser Ohr fängt die Wellen auf und unser Gehirn macht daraus dann den Ton, den wir hören. Wichtig: Schall braucht ein Medium (Luft, Wasser oder einen festen Stoff), um sich auszubreiten. Im luftleeren Weltall herrscht darum gespenstische Stille – ein Geräusch kann sich im Vakuum nicht fortpflanzen.

Was beeinflusst Schall?

Schall breitet sich allerdings nicht immer gleich aus. Verschiedene Faktoren können den Schall beeinflussen:

Frequenz (Tonhöhe): Hohe Töne verhalten sich anders als tiefe Töne. Hohe Frequenzen (z.B. das hohe Zirpen einer Grille) werden in Luft viel schneller abgeschwächt als tiefe Frequenzen (ein entferntes Donnergrollen). Das merkst du daran, dass man bassiges Grollen oft noch aus großer Entfernung hört, während hohe Geräusche über Weite verloren gehen. Auch Mauern lassen tiefe Bässe eher durch als hohe Töne – daher dringt von der lauten Musik des Nachbarn oft nur das „Wummern“ der Bässe durch die Wand.

Medium und Temperatur: Die Geschwindigkeit des Schalls hängt davon ab, durch welches Medium er sich bewegt. In Luft legt Schall rund 343 Meter pro Sekunde zurück. In Wasser ist er mit etwa 1 500 Metern pro Sekunde etwa viermal schneller. Daher können Wale und Delfine sich auch über sehr weite Entfernungen unterhalten. Auch in Metallen reist Schall sehr fix – darum hört man ein herannahendes Zuggeräusch oft früher, wenn man das Ohr auf die Schiene legt (nicht nachmachen!). Außerdem gilt: Warme Luft trägt Schall meist weiter als kalte, da sich in warmer Luft die Teilchen schneller bewegen (auch die Temperatur beeinflusst also die Schallausbreitung).

Wusstest du schon?

Blauwale erzeugen extrem laute und tiefe Töne – manche davon liegen unterhalb der menschlichen Hörgrenze. Mit diesen Infraschall-Laute können sie über 1600 km weit kommunizieren. Zum Vergleich: Das ist doppelt so weit wie die Luftlinie vom nördlichsten bis zum südlichsten Punkt Deutschlands.

Hindernisse und Reflexion: Trifft Schall auf ein Hindernis, kann er reflektiert oder absorbiert werden. Harte, glatte Flächen wie Wände oder Felsen werfen Schall zurück – es entsteht ein Echo oder Hall. Weiche, poröse Materialien (z.B. Vorhänge, Polstermöbel im Zimmer) schlucken dagegen den Schall und dämpfen das Geräusch. Deshalb hallt es in leeren Räumen stärker als in möblierten. Auch Wald und Blätterdach wirken wie ein Schalldämpfer in der Natur, während ein glatter See Schall gut reflektiert.

Zusammengefasst: Schall breitet sich als Welle in alle Richtungen aus, benötigt ein Medium und kann durch Umgebungseinflüsse abgelenkt, gedämpft oder verstärkt werden. Das erklärt, warum ein Waldspaziergang viel ruhiger ist als ein Stadtbummel – die Akustik unterscheidet sich je nach Umgebung erheblich.

Spektrogramm – Was zeigt ein Spektrogramm, wie funktioniert es?

Wie sieht eigentlich ein Ton aus? Ein Spektrogramm gibt darauf eine Antwort. Es ist eine bildliche Darstellung eines Schallsignals – vereinfacht gesagt: ein Bild, das zeigt, welche Töne (Frequenzen) in einem Geräusch zu welcher Zeit vorkommen und wie laut sie sind. Auf der waagerechten Achse des Spektrogramms ist meist die Zeit aufgetragen, auf der senkrechten Achse die Frequenz (Tonhöhe). Die Lautstärke bzw. Intensität der jeweiligen Frequenz wird dann durch die Farbintensität oder Helligkeit dargestellt. Oft sieht man Spektrogramme daher als bunte Diagramme: zum Beispiel mit blauen Bereichen für leise Anteile und roten für sehr laute Anteile. Man kann es sich wie ein 3D-Bild vorstellen – Zeit (x-Achse) gegen Tonhöhe (y-Achse), und die Farbe zeigt die Lautstärke an. So entsteht aus dem „unsichtbaren“ Schall ein anschauliches Bild.

Ein Beispiel: Wenn ein Vogel einen Triller von sich gibt, erscheinen auf dem Spektrogramm viele parallele „Linien“ oder „Bänder“, die zeigen, welche Tonhöhen der Gesang enthält. Ein einzelner lauter Pfiff würde als kurzer, markanter Strich bei einer bestimmten Frequenz und Zeit auftauchen. Spektrogramme machen so Muster erkennbar, die unserem Ohr allein vielleicht gar nicht auffallen. In der Ornithologie (Vogelkunde) nutzt man Spektrogramme daher häufig, um Vogelgesänge zu analysieren. Jede Vogelart hat im Spektrogramm ein charakteristisches Muster – man spricht auch von „akustischem Fingerabdruck“. Experten (oder trainierte KI-Modelle) können anhand dieser Muster eine Art identifizieren, ähnlich wie man am optischen Fingerabdruck einen Menschen erkennt. Das Spektrogramm hilft also, komplizierte Klangfolgen sichtbar zu machen und vergleichbar zu machen.

Wofür ist das nützlich?

Spektrogramme finden in vielen Bereichen Anwendung: in der Musik und Sprachforschung, in der Tierforschung (für Walgesänge, Vogelrufe etc.) und sogar in der Technik. Man kann damit z.B. gesprochene Worte sichtbar machen und untersuchen – Linguisten erkennen auf Sprachspektrogrammen etwa Vokale und Konsonanten an typischen Mustern. In der Bioakustik, unserem Thema, sind Spektrogramme unverzichtbar, um Tierstimmen zu vergleichen und neue Laute zu entdecken. Forscher können unbekannte Tiersounds als Spektrogramm mit bekannten Mustern abgleichen. Und KI-Systeme wie die erwähnten Vogelstimmen-Erkennungsapps wandeln eingehende Geräusche zuerst in ein Spektrogramm um, um daraus dann die relevanten Merkmale herauszufiltern. Für die KI ist das Spektrogramm quasi die „Sprache“, in der es Töne lesen kann. KI arbeitet streng genommen nicht mit Audio, sondern mit Bildverarbeitung.

Ein Spektrogramm beantwortet also die Frage: Wer singt was wann? Es zeigt welche Frequenzen (Tonhöhen) zu welcher Zeit präsent sind und wie stark. Dadurch kann man etwa erkennen, ob in einem Ton eher Bass oder eher hohe Töne dominieren, ob ein Geräusch aus einzelnen Klicklauten besteht oder aus kontinuierlichem Rauschen, und ob mehrere Klänge gleichzeitig auftreten. In einem Wald-Aufnahme-Spektrogramm würdest du z.B. sehen, wenn gleichzeitig ein tiefer Frosch quakt und darüber eine Grille zirpt – zwei unterschiedliche Frequenzbänder zur selben Zeit. So etwas kann man zwar auch hören, aber das Bild macht es viel übersichtlicher.

Zusammengefasst: Ein Spektrogramm funktioniert wie eine Zeit-Frequenz-Landkarte für Schall. Es ist nützlich, um Geräusche sichtbar zu machen, zu analysieren und zu vergleichen. Ob Biologe oder Musiker – alle können daraus Informationen ziehen, die mit dem bloßen Ohr schwer zu erfassen wären. In unserer alltäglichen Technik begegnen uns Spektrogramme z.B. bei Audio-Software (Equalizer-Anzeigen) oder eben in den genannten Tierstimmen-Apps. So zeigt sich, was normalerweise unsichtbar ist!