E1 Schallausbreitung in biologischen Medien

Thema

Wenn eine Schallquelle schwingt, drückt und gibt sie die Teilchen des unmittelbar angrenzenden Mediums abwechselnd nach. Diese Teilchen bewegen sich nach dem Einwirken des Drucks nicht dauerhaft von ihrer ursprünglichen Position weg, sondern schwingen in Richtung der Schallausbreitung hin und her. Diese Schwingung, die in Ausbreitungsrichtung der Störung und nicht senkrecht dazu verläuft, definiert eine Longitudinalwelle. Schall breitet sich in jedem biologischen Medium stets als Longitudinalwelle aus.

Werden die Teilchen des Mediums in der Nähe der Schallquelle durch den einwirkenden Druck näher zusammengezogen, bilden sie eine Kompressionszone – einen Bereich, in dem der Druck kurzzeitig höher ist als der Gleichgewichtsdruck des Mediums. Bewegen sich dieselben Teilchen wieder auseinander, wenn die Schallquelle sie nachlässt, bilden sie eine Verdünnungszone – einen Bereich, in dem der Druck kurzzeitig niedriger ist als der Gleichgewichtsdruck des Mediums. Jede Kompressionszone drückt die Partikel des Mediums direkt vor sich zusammen. Dadurch bilden die weiter von der Schallquelle entfernten Partikel eine neue Kompressionszone, während die ursprüngliche Verdünnungszone dahinter nachgibt. So wird der Wechsel zwischen Kompressions- und Verdünnungszonen von einer Partikelgruppe zur nächsten übertragen. Diese Übertragung des Wechsels von einem Punkt zum anderen im Medium wird als Schalldruck bezeichnet.

Die Geschwindigkeit, mit der sich der Schalldruck von einer Partikelgruppe zur nächsten ausbreitet, hängt davon ab, wie fest die Partikel des Mediums miteinander verbunden sind und wie schwer sie sind: Je fester die Partikel eines Mediums verbunden und je leichter sie sind, desto stärker drücken sie gegeneinander und desto schneller breitet sich der Schalldruck durch das Medium aus. Deshalb ist die Schallgeschwindigkeit in Luft, in der Lymphe, die bestimmte Hohlräume des Innenohrs ausfüllt, und im Knochengewebe des Schädels nicht gleich: Die Partikel des Knochengewebes sind viel fester miteinander verbunden als die Lymphpartikel, und die Lymphpartikel wiederum sind fester miteinander verbunden als die Luftpartikel. Daher breitet sich Schalldruck in Luft langsamer, in Lymphe schneller und in Knochengewebe noch schneller aus.

Die Schallgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium bestimmt zusammen mit der Frequenz, mit der die Schallquelle die Teilchen des Mediums verdrängt und wieder freisetzt, die Wellenlänge: den Abstand zwischen zwei Verdichtungszonen im selben Medium. Je höher die Schallgeschwindigkeit in einem Medium ist, desto länger ist die Wellenlänge für eine gegebene Frequenz von der Schallquelle aus, da der Schalldruck eine größere Strecke zurücklegt, bevor die Schallquelle die Teilchen des Mediums erneut in dieselbe Richtung verdrängt. Neben der Wellenlänge besitzt der Schalldruck auch eine Intensität: Je stärker die Schallquelle die Teilchen des umgebenden Mediums verdrängt, desto größer ist der Druckunterschied zwischen den einzelnen Verdichtungs- und Verdünnungszonen und desto höher ist die Intensität des Schalldrucks, der sich letztendlich durch das Medium ausbreitet.

Diese gesamte Kette von Kompressionen und Verdünnungen, die von einer Partikelgruppe im Medium zur nächsten übertragen wird, beschreibt im Wesentlichen, wie sich der Schalldruck von der Schallquelle zur Ohrmuschel ausbreitet – dem sichtbaren Teil des Ohrs, der den Schalldruck schließlich empfängt und an das übrige Gehörsystem weiterleitet. Schallgeschwindigkeit, Wellenlänge und Intensität sind in diesem Modell keine festen Eigenschaften des Schalldrucks an sich, sondern hängen vom jeweiligen Medium ab, durch das sich der Schalldruck in jeder Phase seiner Ausbreitung bewegt – Luft, Lymphe oder Knochengewebe. Daher muss jede nachfolgende Berechnung, wie der Schall die Ohrmuschel und von dort den Rest des Ohrs erreicht, zunächst das Medium identifizieren, durch das sich der Schalldruck in jeder Phase ausbreitet.

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