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Lexikon der Physik: Akustik

Akustik

Helmut Milde, Dresden

Das Wort Akustik kommt vom griechischen akoustikós , "das Gehör betreffend" [Brockhaus 1986], auch das griechische Wort akuein, "hören", wird als Wurzel angegeben [Brockhaus 1928].

In der Physik versteht man unter Akustik die Lehre vom Schall, die ursprünglich alle Erscheinungen umfaßt, die einem Beobachter über das Ohr zugänglich sind. Allgemein befaßt sich die Akustik mit den physikalischen, physiologischen und psychologischen Problemen des Hörens.

Schließlich beschränkt sich die Akustik auch nicht eng auf hörbaren Schall. Nur Luftdruckschwankungen im Frequenzbereich von 16 Hz bis ungefähr 16 kHz kann man hören. Andere Schwingungen werden nur hörbar, wenn sie Luftdruckschwankungen in diesem Bereich verursachen oder direkt an die Schädelknochen gekoppelt werden. Außerhalb dieses Frequenzbereiches spricht man von Infraschall ( > 0 bis 16 Hz), Ultraschall (20 kHz bis 100 MHz) und Hyperschall (109 bis 1012 Hz). Die wellenförmige Ausbreitung von Schwingungen in festen Körpern wird Körperschall genannt.

Die Akustik umfaßt ein sehr großes und vielfältiges Betätigungsfeld. Es geht um Schwingungen und Wellen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern in dem oben beschriebenen Frequenzbereich. Und es geht um die Wandlung dieser Schwingungen in elektrische Signale und die informationstechnische Signalverarbeitung.

Die meisten akustischen Phänomene sind mit relativ kleinen Intensitäten verknüpft, d.h. sie lassen sich näherungsweise mit linearen Differentialgleichungen beschreiben. Wissenschaftlich interessanter und in den letzten Jahrzehnten ein weites Betätigungsfeld für Physiker sind allerdings die nichtlinearen akustischen Phänomene wie Stoßwellen in Flüssigkeiten und Gasen oder oberflächenakustische Wellen in Piezokristallen.

Historisches

Die ältesten Berichte über akustisches Wissen finden wir bei den Pythagoreern im 5. Jahrhundert v. Chr. Sie hatten bereits herausgefunden, daß sich die Intervalle der diatonischen Skala durch Verhältnisse ganzer Zahlen darstellen lassen. Das Monochord war ihnen nicht unbekannt. Pythagoras und Aristoteles hatten schon (qualitativ) richtige Vorstellungen von der Fortpflanzung des Schalles in Luft bezüglich Geschwindigkeit, Reflexion und Echo. In den großartigen Theaterbauten der Antike wurde dieses Wissen mit Erfolg technisch verwendet. Vierhundert Jahre später berichtet Vitruv über sogenannte Tonvasen, die in der Nähe der vorderen Sitzreihen von Freilufttheatern eingesetzt wurden. Man kann sie als Vorläufer von Tiefenabsorbern, wie sie heute nach dem Prinzip des Helmholtz-Resonators gebaut werden, ansehen.

Am Ende der Renaissance nehmen Galilei und Mersenne den Faden wieder auf. Sie entdecken den Zusammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz der Schwingungen einer Saite. Mersenne beschreibt auch die Abhängigkeit der Frequenz von Länge, Dicke, Material und Spannung der Saite. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts vollendet sich das Bild der Akustik: Newton erklärt 1687 die Schallausbreitung in elastischen Medien durch Longitudinalwellen. 1705 weist Hawksbee nach, daß Schall an ein Übertragungsmedium gebunden ist. Sein Experiment mit der Glocke, die aus einem Vakuum nicht mehr zu hören ist, hat zu abenteuerlichen Versuchen der Lautstärkeregelung geführt. In England wurde tatsächlich bei Konzertaufführungen Luft aus dem Saal gepumpt, um zu erleben, wie der Klang des Orchesters langsam verschwindet. Als dann den ersten Zuhörern manchmal auch die Sinne schwanden, ist man davon wieder abgekommen.

Chladni, wir kennen von ihm vor allem die Versuche mit den chladnischen Klangfiguren, erhob 1802 mit seinem zusammenfassenden Werk "Akustik" die Akustik zu einer selbständigen Wissenschaft – eben der Lehre vom Schall. H. v. Helmholtz wird mit der "Lehre von den Tonempfindungen als philologische Grundlage für die Theorie der Musik" zum Begründer der modernen musikalisch-akustischen Forschung, und Lord Rayleigh vollendet mit seiner "Theory of Sound" (1877) auch theoretisch das Gebäude des akustischen Wissens in der experimentellen Physik.

"In neuester Zeit sind wenig Resultate gefunden worden, ..." schrieb Meyer's Lexikon 1874, denn man glaubte, nun alles beisammen zu haben. Da kommt 1877 Edisons Phonograph an die Öffentlichkeit. Hatte man bisher immer den Informationsgehalt aus dem Hörereignis herausfiltern und in Form von Schrift oder Noten aufschreiben müssen, so war es nun möglich, ein Schallsignal als solches aufzuzeichnen, zu vervielfältigen und wiederzugeben. Dies war der Beginn der Elektroakustik, der Audiotechnik und in weitestem Sinne auch der modernen Informationstechnik.

Einige akustische Streiflichter

Wir kennen eine "gute (oder schlechte) Akustik" und meinen mit Akustik dann die Gesamtheit der akustischen Eigenschaften eines Raums, in dem es auf das Hören ankommt (Raumakustik). Bei Planung und Bau eines Konzertsaals, eines Theaters oder anderer Auditorien werden spezielle Fachleute – Akustiker – hinzugezogen (Bauakustik). Sie unterscheiden verschiedene solche Akustiken, zum Beispiel eine Musikakustik und eine Sprechakustik.

Ganz andere technische Aspekte kommen bei der Elektroakustik zum Tragen, dem Fachgebiet, das sich mit der elektrischen Übertragung von Schallsignalen und der Wiederherstellung von Schallereignissen befaßt. Sie ist gewissermaßen die Mutter der Informationstechnik und inzwischen nur noch ein Teilgebiet davon.

International hat sich in neuerer Zeit auch der Begriff Audiotechnik eingebürgert, der die gesamte Technik der akustischen und elektronischen Musikinstrumente umfaßt. Mit akustisch meint man hier unter anderem, daß es sich um rein mechanische, nicht mit elektronischen Hilfsmitteln kombinierte Instrumente und Vorgänge handelt.

Die akustische Meßtechnik hat sich zu einem abgerundeten Fachgebiet in der Metrologie entwickelt. Ein besonderes Problem ergibt sich für die Messung akustischer Eigenschaften von Geräten dadurch, daß sich in einem normalen Raum die Eigenschaften des Prüflings mit denen des Raumes, der sogenannten Raumantwort, überlagern. Deshalb sind akustische Meßräume erforderlich, deren Raumantwort vernachlässigbar ist (reflexionsarmer Raum) oder genau bekannte Werte einhält (Hallraum, Standardabhörraum). Mit modernen informationstechnischen Mitteln gelingt es neuerdings, in einigen Fällen die Raumantwort von primären Signalen des Prüflings zu trennen. So kann man z.B. bei der Messung der Eigenschaften von Lautsprechern auf teure akustische Meßräume verzichten.

Akustiker sind Naturwissenschaftler (Physiker), Ingenieure (Elektroakustiker, Toningenieure, Bauakustiker) und Handwerker (Hörgeräteakustiker). Die Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA) ist ihr deutscher, die Audio Engineering Society (AES) ihr internationaler Berufsverband.

Lesermeinung

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Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22; Essay Datenverarbeitungssysteme künftiger Hochenergie- und Schwerionen-Experimente)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09; Essay Akustik)
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Dr. Christopher Monroe, Boulder, USA [CM] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
Dr. Karl-Henning Rehren, Göttingen [KHR] (A) (Essay Algebraische Quantenfeldtheorie)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Prof. Dr. Heinz-Georg Schuster, Kiel [HGS] (A, B) (11; Essay Chaos)
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Dr. Harald Wirth, Saint Genis-Pouilly, F [HW1] (A) (20)Steffen Wolf, Freiburg [SW] (A) (16)
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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
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Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
Dr. Christian Eurich, Bremen [CE] (A) (Essay Neuronale Netze)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Georg Hoffmann, Gif-sur-Yvette, FR [GH1] (A) (29)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
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Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
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Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Prof. Dr. Karl von Meyenn, München [KVM] (A) (02)
Dr. Rudi Michalak, Augsburg [RM1] (A) (23)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15; Essay Quantenmechanik und ihre Interpretationen)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Dr. Margit Sarstedt, Leuven, B [MS2] (A) (25)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
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Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
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Priv.-Doz. Dr. Jörg Zegenhagen, Stuttgart [JZ3] (A) (21; Essay Oberflächenrekonstruktionen)
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Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
Prof. Tamás S. Biró, Budapest [TB2] (A) (15)
Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
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Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
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Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
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Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
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Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
Prof. Dr. Klaus Stierstadt, München [KS] (B)
Dr. Siegmund Stintzing, München [SS1] (A) (22)
Dr. Berthold Suchan, Gießen [BS] (A) (Essay Wissenschaftsphilosophie)
Cornelius Suchy, Brüssel [CS2] (A) (20)
Dr. Volker Theileis, München [VT] (A) (20)
Prof. Dr. Stefan Theisen, München (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Annette Vogt, Berlin [AV] (A) (02)
Dr. Thomas Volkmann, Köln [TV] (A) (20)
Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
Dr. Patrick Voss-de Haan, Mainz [PVDH] (A) (17)
Dr. Thomas Wagner, Heidelberg [TW2] (A) (29)
Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
Dr. Martin Werner, Hamburg [MW] (A) (29)
Dr. Achim Wixforth, München [AW1] (A) (20)
Dr. Steffen Wolf, Berkeley, USA [SW] (A) (16)
Dr. Stefan L. Wolff, München [SW1] (A) (02)
Priv.-Doz. Dr. Jochen Wosnitza, Karlsruhe [JW] (A) (23)
Dr. Kai Zuber, Dortmund [KZ] (A) (19)
Dr. Werner Zwerger, München [WZ] (A) (20)

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