Schallbrechung durch Wind- und Temperaturschichtung

Warum ist dieselbe Anlage an einem Abend viel weiter zu hören als am nächsten?

Schall läuft nur dort geradeaus, wo seine Geschwindigkeit überall gleich ist. Ändert sie sich mit der Höhe, werden die Schallstrahlen gekrümmt — ähnlich wie Licht am Übergang zwischen zwei Medien. Zwei Ursachen wirken im Freien zusammen: der Wind, der mit der Höhe zunimmt, und die Temperatur, die sich mit der Höhe ändert.

Ob Deine Musik beim Nachbarn ankommt, entscheidet nicht nur der Abstand, sondern auch das Wetter. Weht der Wind zu ihm hin, wird der Schall nach unten gedrückt und reicht weiter. Weht er von ihm weg, hebt sich der Schall über ihn hinweg, und er hört fast nichts. Nachts passiert dasselbe wie bei Mitwind, ganz ohne Wind: Die Luft über dem abgekühlten Boden ist wärmer, und auch das drückt den Ton nach unten. Deshalb ist dieselbe Anlage an einem Abend unauffällig und am nächsten ein Thema — ohne dass jemand lauter gedreht hätte.

Ausführliche Erklärung

Der ganze Effekt folgt aus einer einzigen Regel: Ein Schallstrahl krümmt sich immer zu der Seite hin, auf der er langsamer läuft. Alles Weitere ist die Frage, wo es oben und wo es unten langsamer zugeht.

Beim Wind entscheidet das sein Höhenprofil. Der Boden bremst ihn, also nimmt er nach oben hin zu. In Windrichtung addiert sich seine Geschwindigkeit zu der des Schalls, oben stärker als unten — die Strahlen krümmen sich nach unten. Gegen den Wind kehrt sich das Vorzeichen um, die Strahlen biegen nach oben weg, und in einiger Entfernung entsteht ein Bereich, den kein direkter Strahl mehr erreicht. Dieser Schallschatten ist nicht still, denn Beugung und Streuung lenken Reste hinein, aber der Pegel bricht dort deutlich ein.

Bei der Temperatur entscheidet die Schichtung, weil Schall in wärmerer Luft schneller läuft. Tagsüber ist die bodennahe Schicht die wärmste, unten läuft der Schall also schneller, und die Strahlen krümmen sich nach oben. Nach Sonnenuntergang kehrt sich die Reihenfolge um: Der Boden gibt seine Wärme ab und liegt bald kühler als die Luft über ihm. Für diese Umkehrung gibt es einen eigenen Namen, die Temperaturinversion, und mit ihr dreht die Krümmung nach unten.

Damit sind vier Fälle beschrieben, und zwei davon fallen regelmäßig zusammen: Mitwind und Inversion krümmen beide nach unten. Der ungünstigste Fall für die Nachbarschaft ist deshalb kein Sturm, sondern eine klare, ruhige Nacht mit leichtem Wind in Richtung des Nachbargrundstücks. Der Ingenieur Osborne Reynolds hat beide Ursachen schon 1874 auf dieselbe Krümmungsregel zurückgeführt.

Für das genormte Rechenverfahren ist das kein Randthema: ISO 9613-2 legt seiner Rechnung ausdrücklich begünstigende Ausbreitungsbedingungen zugrunde. Was das für die Aussagekraft einer Prognose bedeutet, ordnet die Seite zur Schallausbreitung im Freien ein.

Häufiges Missverständnis

„Der Wind trägt den Schall" — das Bild ist eingängig und trifft die Ursache nicht. Wind bewegt sich mit wenigen Metern je Sekunde, Schall mit rund 343. Als Transport ist der Beitrag winzig. Wirksam ist nicht der Wind selbst, sondern seine Zunahme mit der Höhe: Erst dieses Gefälle krümmt die Strahlen. Der Unterschied ist kein akademischer, denn aus ihm folgt die Asymmetrie, die man draußen tatsächlich hört — Mitwind bringt einen begrenzten Zuschlag, Gegenwind kann den Pegel im Schatten dagegen weit stärker senken.

Weniger offensichtlich ist der Irrtum über die Nacht. Dass abends mehr auffällt, wird meist vollständig mit dem gesunkenen Hintergrundpegel erklärt — ringsum ist es leiser, also sticht die Musik heraus. Das stimmt, greift aber zu kurz: Zusätzlich reicht der Schall physikalisch weiter, weil die Inversion die Strahlen nach unten krümmt. Beide Effekte wirken in dieselbe Richtung, und deshalb ist die Diskrepanz zwischen der Probe am Nachmittag und der Beschwerde am Abend größer, als der reine Störabstand erklären würde.

Nicht zu verwechseln mit

Beugung: Der Schall läuft um eine Kante herum, etwa über die Oberkante einer Wand. Das ist ein Vorgang an einem Hindernis; die Brechung findet ohne jedes Hindernis statt, allein in der geschichteten Luft.
Reflexion am Boden: Direktschall und Bodenreflexion überlagern sich und ergeben frequenzabhängige Einbrüche. Das ist Interferenz zweier Wege, keine Krümmung eines Weges.
Schalltransport durch den Wind: Der Wind verschiebt die Luft und damit den Schall messbar wenig. Entscheidend ist sein Höhenprofil.

In der Praxis

Eine Außenanlage wird abgenommen, der Kunde will schriftlich wissen, was an der Grundstücksgrenze ankommt. Gemessen wird an einem windstillen Nachmittag, das Ergebnis ist unauffällig, und vier Wochen später steht der Nachbar vor der Tür.

Wichtiger als die Lautstärke ist, unter welcher Bedingung die Aussage gelten soll. Damit ist das Verfahren festgelegt: gemessen wird bei der ungünstigen Wetterlage — abends, bei Wind in Richtung des Nachbarn — und die Bedingung wird protokolliert, sonst ist der Wert nicht wiederholbar. Technik zum Schluss, und dann meist hinterlegte Pegelgrenzen und Zeitprofile im System, die den Abendfall von vornherein abdecken.

Verknüpfte Inhalte

Die vollständige Ausbreitungsrechnung steht auf der Seite zur Schallausbreitung im Freien, die Grundrechnung auf der Formelseite zum Pegelabfall im Freifeld. Die beiden anderen Beiträge behandeln die Einträge zur Luftabsorption und zum Bodeneffekt. Warum die Schallgeschwindigkeit überhaupt von der Temperatur abhängt, klärt der Eintrag zur Schallgeschwindigkeit; was rechtlich gilt, die Seite zum rechtlichen Rahmen für Beschallung im Freien.

Quellen

Die Krümmung der Schallstrahlen durch Wind- und Temperaturschichtung geht auf die Arbeit von Reynolds und die Standardliteratur zur Außenlärmausbreitung zurück; die Rechenannahme für begünstigende Bedingungen auf ISO 9613-2.