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Schallausbreitung

Populäre Vorstellungen über die Schallausbreitung im Freien sind scheinbar plausibel: "Mitwind ist es lauter als bei Gegenwind." oder "Der Schall wird an den Wolken reflektiert." Betrachtet man die Phänome aus physikalischer Sicht, sind diese Aussagen nicht richtig. Es wird 'lauter' oder 'leiser' durch die Brechung des Schalls in der Atmosphäre: Die Atmosphäre wirkt wie eine Linse. Diese Linse kann den Schall noch oben (weg von der Erdoberfläche = 'leiser') oder nach unten (wieder zurück zur Erdoberfläche = 'lauter') brechen. Ein gleichmäßiger Wind bricht aber nicht; er verändert nur die Transportgeschwindigkeit des Schall. Eine gleichmäßig dicke Fensterscheibe bricht das Licht auch nicht, wenn es senkrecht hindurchfällt; das Glas verändert nur die Transportgeschwindigkeit des Lichts. Erst wenn man Linsen aus Glas schleift, dann fokussiert oder defokussiert der Glaskörper das Licht. Erst wenn die Windgeschwindigkeit in verschiedenen Höhe zunimmt (Brechung nach unten) oder abnimmt (Brechung nach oben) wirkt die Atmosphäre wie eine Schalllinse. Und es ist ja richtig: In der Regel nimmt die Windstärke mit der Höhe zu, also ist es mitwind lauter als bei gegenwind.

Wirkung von Wingradienten (oben) und Temperarturschichtung (unten)
auf den Schallstrahlenverlauf

Aber nicht nur der Wind macht aus der Atmosphäre eine Linse. Auch die Temperatur kann das. Wenn es mit zunehmender Höhe kälter wird, wird der Schall nach oben gebrochen: Es wird leiser wie bei gegenwind. Wenn es mit zunehmender Höhe wärmer wird, wird der Schall nach unten gebrochen. Es wird lauter wie bei mitwind.

Das Zusammenspiel aus beiden Phänomenen bestimmt die tatsächliche Schallausbreitung. In schwachwindigen Situationen regiert die Temperatur, sonst der Wind. Meistens bilden sie aber eine 'Koalition', die in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Quelle und Empfänger das Laut und das Leise bestimmt.

Schallbrechung
Die Schallausbreitung im Freien hängt vom Höhenprofil des Windes und der Temperatur ab. Ein Höhenprofil kennzeichnet stets die Abhängigkeit der Kenngröße von der Höhe über Boden. Das Temperaturprofil gibt also an, wie sich die Temperatur ändert. Das Windprofil hat zwei Komponenten: die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung. Beides ändert sich mit der Höhe.

Für eine aktuelle Vorhersage der Schallausbreitung also zur Berechnung der Lärmrose benötigt man deshalb zunächst eine Prognose der beiden Höhenprofile (Wind, Temperatur).

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