Schallfelder – Ausbreitung von Schall im Raum
Schall breitet sich nicht immer gleich aus. Je nach Art der Schallquelle und der Umgebung entstehen unterschiedliche Schallfelder. Dieser Artikel erklärt ebene, kugelförmige, zylindrische und diffuse Schallfelder sowie den Unterschied zwischen Nah- und Fernfeld.
In der Physik wird der Feldbegriff verwendet, um jedem Punkt eines Raumes zeit- und ortsabhängige Größen zuzuordnen. In der Akustik spricht man dabei von Schallfeldern.
Die Kenngrößen eines Schallfeldes sind der Schalldruck p und die Schallschnelle v. Diese beiden Feldgrößen sind über die Wellengleichung – eine Differenzialgleichung des Schallfeldes – miteinander verknüpft.
Ebenes Wellenfeld
Ein ebenes Wellenfeld kann theoretisch nur von unendlich großen, ebenen und konphas schwingenden Wänden oder Platten erzeugt werden. Solche idealisierten Bedingungen treten in der Praxis kaum auf.
Ebene Wellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sich ihre Wellenfronten als Ebenen ausbreiten. Der Schalldruck ist in jeder Ebene gleich, und die Ausbreitungsrichtung bleibt konstant.
Kugelwellenfeld
Die meisten natürlichen und technischen Schallquellen erzeugen Kugelwellen. Zur Beschreibung dieser Schallfelder verwendet man zweckmäßigerweise Kugelkoordinaten.
Dabei beschreibt der Radius r den Abstand eines Punktes von der Schallquelle. Ergänzend werden der Azimutwinkel (Längengrad) und der Deklinationswinkel (Breitengrad) verwendet. In der Wellengleichung unterliegt dabei nur der Radius r einer Veränderung.
Die Wellenfronten einer Kugelwelle sind Kugelschalen, die sich mit zunehmendem Abstand der Quelle annähern und in großer Entfernung quasiebene Flächen bilden.
Für vereinfachte Berechnungen muss gelten:
Wellenlänge λ < Radius r
Im Nahfeld einer Kugelwelle sind Schalldruck p und Schallschnelle v phasenverschoben. Dadurch treten beim Wellenwiderstand Z sowohl Real- als auch Imaginäranteile auf.
Zylinderwellenfeld
Zylinderwellenfelder entstehen an der Oberfläche von Zylindern oder ähnlichen Geometrien. Sie treten beispielsweise:
- im Inneren von kreisrunden Rohren
- in der Umgebung bewegter Schallquellen
- bei langen Zügen auf Bahntrassen
- bei stark befahrenen Straßen
Die Schallausbreitung erfolgt dabei von der Mittelachse des Zylinders nach außen.
Nahfeld und Fernfeld
Die Unterscheidung zwischen Nahfeld und Fernfeld einer Schallquelle hängt vom Verhältnis zwischen dem Abstand zur Quelle und der Wellenlänge des Schalls ab.
Fernfeld: Radius r > Wellenlänge λ
Nahfeld: Radius r < Wellenlänge λ
Nahfeldverhältnisse sind durch einen hohen Anteil akustischer Blindleistung gekennzeichnet, während die wirksame Schallleistung gering ist. Ursache ist eine Phasenverschiebung zwischen Schalldruck und Schallschnelle von etwa 90°.
Dem Nahfeld folgt das freie Schallfeld (Direktschallfeld). In diesem nimmt der Schalldruckpegel bei einer Kugelwelle mit jeder Entfernungsverdoppelung um etwa 6 dB ab.
Diffuses Schallfeld
Das diffuse Schallfeld wird auch als Hallfeld bezeichnet. Es handelt sich um ein Modellschallfeld, das unter idealisierten Annahmen praxisnahe Berechnungen erlaubt.
Diffuse Schallfelder treten in Räumen mit ausreichend reflektierenden Begrenzungsflächen auf. Man geht davon aus, dass an jedem Punkt des Raumes alle Ausbreitungsrichtungen gleichmäßig zum Energietransport beitragen.
Ein diffuses Schallfeld entsteht, wenn durch ein eingespeistes Frequenzgemisch genügend Raummoden angeregt werden. Solche Bedingungen sind typisch für Hallräume, die für akustische Präzisionsmessungen genutzt werden.