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Schallgeschwindigkeit

Schallgrößen

Die Schallgeschwindigkeit c (für lat. celeritas = Eile, Schnelligkeit) ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem beliebigen Medium (üblicherweise in Luft) ausbreiten. Es ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls, die nicht mit der Schallschnelle v zu verwechseln ist. Die SI-Einheit der Schallgeschwindigkeit ist Meter pro Sekunde (m/s).

Die Schallgeschwindigkeit wird in der Regel mit c = 343 m/s (1234,8 km/h) für 20 °C in Luft angegeben.

Für die Schallgeschwindigkeit c gilt die Formel

,

wobei λ (lambda) die Wellenlänge und f die Frequenz der Schallwelle ist. Die Schallgeschwindigkeit kann somit errechnet werden, wenn die Werte für λ und f gemessen wurden. Ein Ändern der Frequenz eines Tons verursacht keine Änderung der Schallgeschwindigkeit, sondern eine Veränderung der Wellenlänge. Die Schallgeschwindigkeit wird bei gleichbleibenden physikalischen Eigenschaften des Mediums als konstant angesehen.

Inhaltsverzeichnis

Schallgeschwindigkeit in Festkörpern

Schallwellen in Festkörpern können sich sowohl in longitudinaler (hierbei ist die Schwingungsrichtung parallel zur Ausbreitungsrichtung) als auch in transversaler Richtung (hierbei ist die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ausbreiten.

Für Longitudinalwellen hängt im allgemeinen Fall die Schallgeschwindigkeit in Festkörpern von der Dichte ρ, der Poissonzahl μ und dem Elastizitätsmodul E des Festkörpers ab. Es gilt dabei

und

sowie

Im Spezialfall eines langen Stabes, wobei der Durchmesser des Stabes deutlich kleiner als die Wellenlänge der Schallwelle sein muss, kann die Querkontraktion vernachlässigt werden und man erhält

.

Für Transversalwellen muss der Elastizitätsmodul durch den Schubmodul G ersetzt werden:

.

Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten

Im Gegensatz zu Festkörpern können sich in Flüssigkeiten nur Longitudinalwellen ausbreiten, da der Schubmodul für Flüssigkeiten gleich Null ist. Die Schallgeschwindigkeit ist eine Funktion der Dichte ρ und des Kompressionsmoduls K der Flüssigkeit und berechnet sich aus

.

Schallgeschwindigkeit in idealen Gasen

Die Schallgeschwindigkeit in idealen Gasen ist abhängig vom Adiabatenexponent κ (kappa), der Dichte ρ (rho) sowie dem Druck p des Gases oder alternativ nach der thermischen Zustandsgleichung von der molaren Masse M und der absoluten Temperatur T (gemessen in Kelvin) und berechnet sich aus

.

Der Adiabatenexponent κ (kappa) = cp/cV hängt auch für die meisten realen Gase über weite Temperaturbereiche nicht vom Druck p ab, die molare Masse ist eine materialspezifische und die universelle Gaskonstante R = 8,3145 J/(mol K) eine physikalische Konstante. Deshalb hängt die Schallgeschwindigkeit in idealen Gasen nur von der Wurzel der (absoluten) Temperatur ab.

Für Luft erhält man mit M = 0,02896 kg/mol und κ = 1,402

Geht man zur Temperatur in °C über, so ergibt sich weiter

Mit dieser Gleichung beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 25 °C etwa 346 m/s. Allgemeiner bekannt ist der Wert c = 343 m/s für 20 °C (Raumtemperatur).

Statt der Wurzelabhängigkeit wird häufig folgende lineare Näherungsformel verwendet:

Diese Näherung gilt im Temperaturbereich von -20 °C bis +40 °C mit einer Genauigkeit von besser als 0,2%.

Die Luftfeuchtigkeit beeinflusst im Gegensatz zur Temperatur die Schallgeschwindigkeit nur geringfügig. Der Schall wandert innerhalb der Troposphäre langsamer mit steigender Höhe, was aber fast ausschließlich eine Funktion der Temperatur und nur in geringem Maße auch eine der Luftfeuchte ist.[1]

Vergleiche hierzu die Normalbedingungen und die Standardbedingungen. Normalerweise wird die Schallgeschwindigkeit unter Standardatmosphäre gemessen.

Bei einem idealen Gas ist die Schallgeschwindigkeit nur von der Temperatur abhängig und unabhängig vom Gasdruck. Diese Abhängigkeit gilt daher auch für Luft, die in guter Näherung als ideales Gas betrachtet werden kann.

Der Faktor kappa kommt aus der adiabatischen Zustandsgleichung. Die gilt, wenn bei einem Prozess die Temperatur nicht konstant bleibt (also nicht isotherm). Das ist bei einer Schallwelle der Fall. Die Luft wird in sehr kurzer Zeit komprimiert und expandiert wieder schnell. Die erhöhte Temperatur kann so schnell nicht abgeführt werden. Anfänglich wurde der Fehler gemacht und ohne das kappa gerechnet. So entstand eine stark abweichende Schallgeschwindigkeit.

Beispiele für Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien

In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele für Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien bei einer Temperatur von 20 °C aufgelistet. Für alle Materialien angegeben ist die Schallgeschwindigkeit für die Druckwelle (Schallgeschwindigkeit longitudinal). Wo Werte bekannt sind, findet man zusätzlich die Schallgeschwindigkeit nach Wellenumwandlung (Schallgeschwindigkeit transversal); die dazu gehörende Welle entsteht in einem festen Folgemedium bei Schrägeinschallung und breitet sich senkrecht zur eigentlichen Druckwelle aus.

Medium Schallgeschwindigkeit longitudinal
in (m/s) bei 20 °C
Schallgeschwindigkeit transversal
in (m/s)
Luft (bei 20 °C) 343 (*)  
Helium 981  
Wasserstoff 1280  
Sauerstoff 316  
Kohlendioxid (bei 20 °C) 266  
Wasser 1484  
Wasser (bei 0 °C) 1407  
Meerwasser ~1500  
Eis (bei -4 °C) 3250  
Öl(SAE 20/30) 1740  
Benzol 1326  
Ethylalkohol 1168  
Glas 5300  
Gummi 150  
Plexiglas 2670  
PVC-P (weich) 80  
PVC-U (hart) 2250 1060
Beton (C20/25) 3655 2240
Beton (C30/37) 3845 2355
Buchenholz 3300  
Marmor 6150  
Aluminium 6320 3130
Beryllium 12900 8880
Blei/5%Antimon 2160 700
Blei 1200  
Gold 2000 1280
Kupfer 3800 2260
Magnesium/Zk60 4400 810
Nickel 4900  
Zink 3800  
Quecksilber 1450  
Stahl 5920 3255
Titan 6100 3050
Messing 3500  
Wolfram 5180 2870
Eisen 5170  
Silber 2640  
Bor 16200  
Diamant 18000  
Quark-Gluon-Plasma[2] (bei 1012 °C) 173085256,32732  

(*) entspricht 1234,8 km/h.

Diamant besitzt mit etwa 18000 m/s die höchste Schallgeschwindigkeit aller natürlichen Medien.

Temperaturabhängigkeit

Allgemein ergibt sich für Gase folgende Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur .

Dabei stellt c0 [in m/s] die Geschwindigkeit bei dar und c [in m/s] die Schallgewindigkeit bei .

Die Temperaturabhängigkeit ergibt sich durch sehr große Dichtegradienten und Geschwindigkeitsänderungen bei den erzeugten Wellen. Denn dadurch sind die Näherungen des hydrodynamischen Grundgesetzes nicht mehr erfüllt.

Somit ergibt sich beispielsweise folgende Tabelle für Luft mit c0 = 331,5 m/s. Hierbei hat der Luftdruck keine Wirkung auf die Schallgeschwindigkeit, auch wenn diese Fehlangabe häufig zu finden ist.

Schallkennimpedanz, Luftdichte und Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lufttemperatur
Temperatur
ϑ in °C
Schallgeschwindigkeit
c in m/s
Dichte
ρ in kg/m³
Kennimpedanz
ZF in Ns/m³
-10 325,4 1,341 436,5
-5 328,5 1,316 432,4
0 331,5 1,293 428,3
5 334,5 1,269 424,5
10 337,5 1,247 420,7
15 340,5 1,225 417,0
20 343,4 1,204 413,5
25 346,3 1,184 410,0
30 349,2 1,164 406,6

Frequenzabhängigkeit

In einem dispersiven Medium ist die Schallgeschwindigkeit von der Frequenz abhängig. Die räumliche und zeitliche Verteilung einer Fortpflanzungsstörung ändert sich ständig. Jede Frequenzkomponente pflanzt sich jeweils mit ihrer eigenen Phasengeschwindigkeit fort, während die Energie der Störung sich mit der Gruppengeschwindigkeit fortpflanzt. Wasser ist ein Beispiel eines dispersiven Mediums.

In einem nicht dispersiven Medium ist die Schallgeschwindigkeit unabhängig von der Frequenz. Daher sind die Geschwindigkeiten des Energietransports und der Schallausbreitung dieselben. Luft ist ein nicht dispersives Medium.

Sonstiges

In der Luftfahrt wird die Geschwindigkeit eines Flugzeugs auch relativ zur Schallgeschwindigkeit gemessen. Dabei wird die Einheit Mach verwendet, wobei Mach 1 gleich der jeweiligen Schallgeschwindigkeit ist. Abweichend von anderen Maßeinheiten wird bei der Messung der Geschwindigkeit in Mach die Einheit vor die Zahl gesetzt.

Die Entfernung eines Blitzeinschlags und damit eines Gewitters lässt sich abschätzen, indem man nach dem Sehen des Blitzes bis zum Hören des Donners die Sekunden zählt. Die Anzahl der Sekunden durch drei geteilt ergibt (aufgrund einer abgerundeten Schallgeschwindigkeit von c = 333 m/s) ungefähr die Entfernung des Gewitters in Kilometern.

Siehe auch

 Wiktionary: Schallgeschwindigkeit – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

Literatur

  1. Dennis A. Bohn, Environmental Effects on the Speed of Sound, Journal of the Audio Engineering Society, 36(4), April 1988. PDF-Version
  2. Jean Lettesier and Johann Rafelski, Hadrons and Quark-Gluon-Plasma, Cambridge University Press, 2002.