Schallwellen sind Druckwellen, die sich durch die Erdkruste, Gewässer und die Atmosphäre ausbreiten. Natürliche Schallfrequenzen geben die Frequenzmerkmale von Schallwellen an, die einen Körper (z. B. das Trommelfell des Ohrs) wirksam in Schwingung versetzen oder die sich natürlich aus der Vibration dieses Körpers ergeben.
Schallwellen werden durch eine Störung erzeugt, die sich dann durch ein Medium (z. B. Kruste, Wasser, Luft) ausbreitet. Einzelne Teilchen werden nicht mit der Welle übertragen, aber die Ausbreitung der Welle veranlasst Teilchen (z. B. einzelne Luftmoleküle), um eine Gleichgewichtslage zu schwingen.
Jedes Objekt hat eine eigene natürliche Schwingungsfrequenz. Schwingungen können durch die direkte gewaltsame Störung eines Objekts oder durch die gewaltsame Störung des Mediums, das mit dem Objekt in Kontakt ist (z. B. die umgebende Luft oder das Wasser), hervorgerufen werden. Einmal erregt, werden alle derartigen Vibratoren (d. h. schwingende Körper) zu Erzeugern von Schallwellen. Wenn zum Beispiel ein Stein fällt, werden die umgebende Luft und die aufprallende Kruste in sinusförmige Schwingungen versetzt und erzeugen eine Schallwelle.
Schwingungskörper können auch Schallwellen absorbieren. Schwingende Körper können jedoch nur bei bestimmten Frequenzen, den sogenannten Eigenschwingungsfrequenzen, wirksam schwingen. Wenn im Falle einer Stimmgabel eine sich ausbreitende sinusförmige Schallwelle dieselbe Frequenz hat wie die von den Schwingungen der Stimmgabel natürlich erzeugte Schallwelle, kann die sich ausbreitende Druckwelle die Stimmgabel bei dieser bestimmten Frequenz in Schwingung versetzen.
Mechanische Resonanz tritt auf, wenn eine periodische Kraft mit derselben Frequenz wie die natürliche Schwingungsfrequenz ausgeübt wird. Wenn also die Druckschwankungen einer resonanten Wanderschallwelle auf die Zinken der Stimmgabel treffen, erfahren die Zinken in angemessenen Abständen aufeinanderfolgende Kräfte, um eine Klangerzeugung bei der natürlichen Schwingungs- oder Naturschallfrequenz zu erzeugen. Übt die resonante Wanderwelle weiterhin Kraft aus, erhöht sich die Schwingungsamplitude der Stimmgabel und die von der Stimmgabel ausgehende Schallwelle wird stärker. Wenn die Frequenzen im Bereich des menschlichen Gehörs liegen, scheint der Ton lauter zu werden. Sänger sind in der Lage, Glas zu zerbrechen, indem sie laut einen Ton in der natürlichen Schwingungsfrequenz des Glases singen. Die im Glas induzierten Schwingungen können so stark werden, dass das Glas seine Elastizitätsgrenze überschreitet und bricht. Ähnliche Phänomene treten in Gesteinsformationen auf.
Alle Objekte haben eine natürliche Frequenz oder eine Reihe von Frequenzen, mit denen sie schwingen.
Schallwellen können sich nach dem Überlagerungsprinzip verstärken oder auslöschen, unabhängig davon, ob sie phasengleich oder phasenverschoben zueinander sind. Wellen aller Art können konstruktive oder destruktive Interferenz erfahren. Schallwellen weisen auch Doppler-Verschiebungen auf, d. h. eine scheinbare Änderung der Frequenz aufgrund der relativen Bewegung zwischen der Schallquelle und dem Empfangspunkt. Wenn sich Schallwellen auf einen Beobachter zubewegen, verschiebt der Doppler-Effekt die beobachteten Frequenzen nach oben. Wenn sich Schallwellen von einem Beobachter wegbewegen, verschiebt der Dopplereffekt die beobachteten Frequenzen nach unten. Der Doppler-Effekt lässt sich häufig und leicht bei der Fahrt von Flugzeugen, Zügen und Autos beobachten.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle hängt von der Dichte des Übertragungsmediums ab. Witterungsbedingungen (z. B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit usw.) und bestimmte geophysikalische und topographische Merkmale (z. B. Berge oder Hügel) können die Schallübertragung behindern. Die Beeinflussung von Schallwellen durch übliche meteorologische Bedingungen ist im Allgemeinen vernachlässigbar, es sei denn, die Schallwellen breiten sich über große Entfernungen aus oder stammen von einer Hochfrequenzquelle. Im Extremfall können die atmosphärischen Bedingungen die Schallwellenübertragung verbiegen oder verändern.
Die Geschwindigkeit des Schalls durch eine Flüssigkeit – in dieser Definition von „Flüssigkeit“ sind atmosphärische Gase eingeschlossen – hängt von der Temperatur und Dichte der Flüssigkeit ab. Schallwellen breiten sich bei höherer Temperatur und Dichte des Mediums schneller aus. Daher nimmt die Schallgeschwindigkeit (die sich in der Mach-Zahl widerspiegelt) in einer Standardatmosphäre mit zunehmender Höhe ab.
Meteorologische Bedingungen, die Luftschichten mit dramatisch unterschiedlichen Temperaturen erzeugen, können Schallwellen brechen.
Die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist etwa viermal so hoch wie die Schallgeschwindigkeit in Luft. Die SONAR-Sondierung des Ozeans ist ein gängiges Instrument der Ozeanographen. Eigenschaften wie Druck, Temperatur und Salzgehalt wirken sich ebenfalls auf die Schallgeschwindigkeit im Wasser aus.
Da sich der Schall unter Wasser so gut ausbreitet, argumentieren viele Meeresbiologen, dass die Einführung von vom Menschen verursachten Geräuschen (z. B. Motorenlärm, Kavitation von Propellern usw.) in die Ozeane in den letzten zwei Jahrhunderten die zuvor evolutionär gut angepassten Methoden der akustischen Kommunikation zwischen Meerestieren beeinträchtigt. So wurde beispielsweise nachgewiesen, dass vom Menschen verursachter Lärm die Langstreckenkommunikation von Walen stört. Obwohl die langfristigen Auswirkungen dieser Störung noch nicht vollständig bekannt sind, befürchten viele Meeresbiologen, dass sich diese Störung auf die Paarung der Wale auswirken und zu einem weiteren Rückgang oder Aussterben der Populationen führen könnte.
Siehe auch Aerodynamik; Atmosphärische Zusammensetzung und Struktur; Atmosphärische Inversionsschichten; Elektromagnetisches Spektrum; Energieumwandlungen; Seismograph; Seismologie