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Brechung bezeichnet die Richtungsänderung von Schallwellen, wenn sich ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit räumlich ändert. Ursache sind Unterschiede der Mediumseigenschaften, etwa Temperatur-, Dichte- oder Materialänderungen.
Einordnung & Kontext
Brechung ist ein Ausbreitungsphänomen der Schallwellen und unterscheidet sich von Grenzflächenprozessen wie Reflexion oder Absorption. Sie tritt sowohl an Mediengrenzen (z. B. Luft–Wasser) als auch innerhalb eines Mediums auf, wenn sich dessen Eigenschaften kontinuierlich ändern. In der Akustik ist Brechung besonders relevant für Umweltakustik, Beschallung im Freien und großräumige Schallausbreitung.
Physikalische Grundlagen
Die Ausbreitungsrichtung einer Schallwelle hängt von der Schallgeschwindigkeit c ab. Ändert sich c, wird der Schall „zum langsameren Bereich hin“ abgelenkt. Dabei bleibt die Frequenz erhalten; Wellenlänge und Richtung ändern sich. Die Winkel werden dabei stets zum Lot gemessen, also zur Senkrechten auf die gedachte Grenzfläche oder auf die lokale Schicht mit konstanter Schallgeschwindigkeit.
Für ebene Wellen an einer idealisierten Grenzfläche gilt analog zur Optik das Brechungsgesetz:
mit \theta_1,\theta_2
: Einfalls- bzw. Brechungswinkel c_1,c_2 : Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Bereich
Eine häufig verwendete Faustregel lautet: Schall wird zum Bereich geringerer Schallgeschwindigkeit hin gebrochen.
Typische Ursachen der Brechung
Temperaturgradienten in Luft Warme Luft (höhere Schallgeschwindigkeit) über kalter Luft führt zur Ablenkung der Schallstrahlen.
Dichte- und Feuchteunterschiede Änderungen der Luftzusammensetzung beeinflussen die Schallgeschwindigkeit und damit den Ausbreitungsweg.
Medienwechsel Übergänge zwischen Luft, Flüssigkeiten oder Festkörpern verursachen Richtungsänderungen des Schalls.
Praktische Bedeutung
Brechung erklärt unter anderem:
veränderte Schallreichweiten im Freien
unterschiedliche Hörbarkeit bei Tag- und Nachtbedingungen
Ablenkung von Schall über größere Distanzen
Abweichungen zwischen geometrischer Planung und realer Schallausbreitung
Sie ist relevant für:
Umweltakustik (Schallausbreitung im Freien)
Außenbeschallung
Lärmschutz- und Prognosemodelle
Abweichungen zwischen geometrischer Planung und realer Schallverteilung
In der Beschallungstechnik wird Brechung meist nicht explizit berechnet, aber bei Außenbeschallungen und Umweltprognosen berücksichtigt.
Abgrenzung zu verwandten Effekten
Beugung: Umlenkung an Kanten und Öffnungen, wellenlängenabhängig
Reflexion: Zurückwerfen an Grenzflächen
Diffusion: Streuung an strukturierten Oberflächen
Brechung ist im Gegensatz dazu primär geschwindigkeits- und medienabhängig.
Zusammenfassung
Akustische Brechung beschreibt die Richtungsänderung von Schall infolge räumlicher Änderungen der Schallgeschwindigkeit. Sie ist ein zentrales Ausbreitungsphänomen, insbesondere bei großräumiger Schallausbreitung und in inhomogenen Medien, und ergänzt die Beschreibung durch Beugung und Reflexion.
Quellen
Heinrich Kuttruff, Raumakustik, S. Hirzel Verlag, 2018 Leo L. Beranek, Acoustics, Acoustical Society of America, 1996 Thomas D. Rossing (Hrsg.), Springer Handbook of Acoustics, Springer, 2014
