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Physikalische Größen einmal ausführlich erklärt

Berichte/Tipps und Tricks

Worum geht's? hlineb.gif (44 Byte)

Im Bereich der Computerhardware werden von diversen Zeitschriften und Magazinen viele Tests veröffentlicht. In einigen finden sich sogar etliche physikalische Größen wie Schalldruck(pegel), Lautstärke, Helligkeitsmesswerte, diverse Längenangaben oder aber auch Wärmeströmungen wieder. In der Regel wird auf diese Größen nicht weiter eingegangen, obwohl vieles davon in der Schule gar nicht behandelt wurde bzw. schon recht lange her ist. Kurzum, kaum eine Zeitschrift oder Magazin macht sich die Mühe und erklärt, was eigentlich genau dahinter steckt, frei nach dem Motto: Wer es wissen will, der wird schon nachschlagen. Nur, wer hat denn schon ein weiterführendes Physiklehrbuch zur Hand? Für uns ist das Grund genug ein wenig die physikalischen Hintergründe zu durchleuchten. Alles hier geschriebene stammt aus den auf der letzten Seite angegebenen Quellen

Insgesamt stellen wir Ihnen hier die folgenden Themenbereich vor:
- Wie wird die Lautstärke eigentlich definiert?
- Wärme und Wärmeabfuhr von Kühlkörpern
- Kleine Längen ganz groß, die Chips
- Einige Gedanken rund um den Monitor
- Vorsilben von Zehnerpotenzen

Lautstärkehlineb.gif (44 Byte)

Für uns „Normalsterbliche“ ist Lautstärke ein recht klar definierter Begriff, denn was es ist, erfahren die meisten Menschen jeden Tag. Bedenkt man jedoch, was Schall eigentlich ist, nämlich Druckschwankungen der Luft, so gelangt man schnell zu dem Schluss, dass „Lautstärke“ vermutlich ein Maß für den Maximalwert eben dieser Luftdruckschwankung wäre.

In der Tat, so hätte es auch festgelegt werden können. Der Druck bekommt meist den Buchstaben p und fertig ist die Lautstärke-Messung. Die Formulierung deutet es schon an, man hätte, hat man aber nicht. Was stört ist dieses menschliche Ohr. Das hat ein vollkommen anderes Hörempfinden als „doppelter Druck = doppelte Lautstärke“! Eine Annäherung an eben dieses menschliche Hörempfinden ist der sogenannte Schalldruckpegel, gemessen in dB. Hier wird zunächst derjenige Schalldruck ps , damit ist der minimale Schalldruck gemeint, den das menschliche Gehör noch wahrnehmen kann, festgelegt. Sollten Sie sich für Zahlwerte interessieren, es sind 2* 10-10 bar. (Zur Erinnerung: 1 bar beträgt etwa unser Atmosphärenluftdruck. In der Physik verläuft bei 10-10 bar die Grenze zwischen dem Hochvakuum und dem Ultrahochvakuum. Obwohl wir bei Schall ja nur Luftdruckänderungen haben, deutet das hier doch schon an, dass das menschliche Ohr verdammt sensibel ist.) Der Schalldruckpegel L wird wie folgt festgelegt:

 L = 10 * log (p2/ ps 2)

Sieht auf den ersten Blick zugegeben ein wenig wild aus, ist es aber nicht. Ist eine Schallquelle gerade so „laut“, dass wir sie eben noch wahrnehmen können, dann wird p gerade so groß wie ps . Nun, beides wird letztendlich durcheinander geteilt und teilt man zwei gleich große Werte durcheinander, so erhalten wir als Ergebnis die Zahl 1. Log 1 ist aber gerade 0. Das bedeutet also, ab einem Schalldruckpegel von L = 0 kann das menschliche Ohr etwas wahrnehmen. Die Formel ist also dem menschlichem Gehör schön angepasst. Allerdings sieht es immer recht unschön aus, wenn irgendeine Größe keine Einheit besitzt. Daher schreibt man L = 0 dB (Dezibel, dezi deutet hier auf die 10 in der Formel hin). Zur besseren Abschätzung der Zahlwerte, haben wir einige Lautstärken zusammengefasst:

Schalldruckpegelgrößenordnungen

Normales Atmen   10 dB
leises Flüstern, 5m entfernt      30 dB
Bibliothek   40 dB
Ruhiges Büro   50 dB
Normale Unterhaltung   60 dB
Fabrikdurchschnittswert       80 dB
Baulärm 110 dB
Rockkonzert 120 dB (Schmerzgrenze)
Düsenflugzeug 150 dB

Auch hier wäre es nun wieder zu schön um wahr zu sein, wenn wir damit prima leben könnten. Besitzen 2 Töne den gleichen Schalldruck dafür aber eine unterschiedliche Tonlage (=Frequenz), dann empfindet das menschliche Ohr normalerweise 2 unterschiedliche Lautstärken. Hmmm, dumm gelaufen. Töne mit 1.000 Hz hören wir besonders gut, dass auf dieser Frequenz gerade Kinder schreien, ist bei Mutter Natur bestimmt kein Zufall... Eine Anpassung an das menschliche Gehör wird mit dem bewerteten Schallpegel vorgenommen, Werteangaben werden dabei in dBa  bzw. Phon angegeben. Um diese Anpassung zu erreichen, werden bei einzelnen Schallquellen lediglich Korrekturterme (hier k genannt), die Frequenzabhängig sind, hinzuaddiert.

La = L + k      

Einige Korrekturwerte (k)

Frequenz (Hz) 90 220 400 1000 3000 60000
k (dB) -20 -10 5 0 +2 0

Damit ist zwar gewährleistet, dass ein 40 Phon Ton stets gleich laut empfunden wird, jedoch hat diese Bewertungsmethode für die Lautstärke noch einen kleinen Schönheitsfehler: Eine Verdoppelung des Phon-Wertes nehmen wir nicht als eine Verdoppelung der subjektiv wahrgenommenen, mit anderen Worten der gehörten "Lautstärke" wahr. Um auch dieses Problem zu lösen, muss eine weitere Anpassung an das menschliche Ohr vorgenommen werden. Dies wird letztendlich mit der Lautheit S in sone realisiert.

S = 20,1*(La-40) sone

Bei 40 Phon liefert die Formel einen Wert von S = 1 sone. Die Lautheit S berücksichtigt damit sowohl das menschliche Hörempfinden bezüglich unterschiedlich hoher oder tiefer Töne als auch die Tatsache, dass ein doppelter sone Wert tatsächlich doppelt so laut empfunden wird. 

Festplatten erzeugen im Betrieb einen Schalldruckpegel von etwa L = 40 dB,  die Lautheit liegt in Größenordnungen von etwa S = 2,5 sone. Spitzenwerte liegen bei über L = 55 dB bzw. über S = 8,6 sone und sind somit mehr als drei mal lauter als der leiserer Platten. Kühler verursachen einen Schalldruckpegel von etwa L = 30 dB.

Als Abschluss zum Thema Akustik sei noch vermerkt, dass sich Schallpegel NICHT addieren lassen. Vielmehr müssen die Intensitäten (was proportional zum Quadrat des Luftdrucks ist, aber das lassen wir hier mal ganz schulmäßig weg) addiert werden. Damit ergeben sich so "witzige" Rechnung wie: 0 dB + 0dB = 3 dB, oder aber auch: 70 dB + 80 dB = 80,4 dB. letztlich ist uns das letztere Phänomen doch bekannt: Neben einem fahrenden Laster hören wir keine Vögel zwitschern! Für uns bedeutet das: Die lauteste Computerkomponente ist entscheidend!

Physikalische Größen Teil 2

 



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