Schallquellen und Schallempfänger

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I
Schall und Lärm
1.
Schallquellen und Schallempfänger
1.1
Schallerzeugung
18.01.2008
Was verstehst du unter Schall?
Alles was wir hören können ist Schall.
Alle Gegenstände, die Schall erzeugen, nennen wir Schallquellen.
Wir teilen Schall in drei Gruppen ein:
Geräusche : Motorrad, Bohrmaschine ...
Töne
: Stimmgabel, Flöte ...
Knall
: platzender Luftballon ....
Alte und junge Leute empfinden Musik meist völlig unterschiedlich.
Warum ist das so?
Nenne Geräusche, die dich zu Hause, im Verkehr, in der Schule oder in
der Freizeit besonders stören.
Berichte, wo Geräusche vorkommen, die mit folgenden Worten bezeichnet
werden:
donnern, rauschen, bellen, klappern, rumpeln, heulen, knallen,
klirren, plumpsen, schreien, brummen, pfeifen, blubbern.
Wie werden die betreffenden Geräusche erzeugt?
Versuch:
1.2
Stimmgabel anschlagen
In eine Flasche blasen
Papier zerknüllen
Luftballon quietschen
lassen
Luftballon platzen lassen
Was ist eigentlich Schall ?
Versuch:
Stahllineal in einen Schraubstock einspannen und schwingen
lassen. Schwingende Stimmgabel ins Wasser halten.
Schreibstimmgabel mit berußter Glasplatte.
Trommel von unten anschlagen, obenauf Styropor.
Styropor auf Lautsprecherboxen schwingen lassen.
Schall entsteht, wenn Gegenstände schnell schwingen.
Diese Gegenstände nennt man dann Schallquellen.
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1.3
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18.01.2008
Beschreibung der Vorgänge in Schallquellen.
Die von einem Lautsprecher abgegebene Musik wird durch Schwingungen
der Membran erzeugt.
Die Saite einer Gitarre wird durch Anzupfen in Schwingungen versetzt, es
entsteht ein Ton.
Die Enden einer Stimmgabel werden durch Anschlagen in Schwingungen
versetzt, es entsteht ein Ton.
Unsere Stimme wird im Kehlkopf erzeugt. Beim Sprechen oder Singen bilden
die Stimmbänder einen schmalen Spalt und behindern die Luft beim
Durchströmen. Dabei werden sie von der Luft in Schwingungen versetzt und
erzeugen einen Ton. Mit der Zunge, dem Gaumen und den Lippen formen wir
dann Worte.
1.3.1 Schallquellen selbst gebaut.
Speichenklapper
Nagelbrett
Gackernde Henne
Trommeln aus Dosen und Rohren
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Dosenlaute und Saitenbrett
Weidenflöte
1.4
Schallempfänger
1.4.1 Das Ohr.
Das Ohr ist ein natürlicher Schallempfänger.
Wir können Schall weder sehen noch riechen.
Jede unserer beiden Ohrmuscheln fängt Schall auf und leitet ihn durch den
Gehörgang zum Trommelfell. Dieses wird dadurch zum schwingen
gezwungen und zwar in gleicher Weise wie die Schallquelle. Die
Schwingungen des Trommelfells werden durch die Gehörknöchelchen des
Mittelohrs an die Membran des Innenohrs übertragen.. Im Innenohr wird der
Schall in schwache elektrische Signale umgewandelt, die vom Hörnerv zum
Gehirn geleitet werden - wir hören etwas.
Prinzip des Hörens (Blockschaltbild).
Unsere Ohren sind Schallempfänger.
Ohrmuschel
Trommelfell
Membran
Gehirn
Schall
G
Gehörgang
Gehörknöchelchen
Hörnerv
elektrische
Impulse
Das Trommelfell schwingt genauso wie die Schallquelle.
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1.4.2 Das Mikrofon.
Mikrofon, Verstärker, Lautsprecher.
V
1k
Versuch:
Alle Mikrofone wandeln den
auftreffenden Schall in
elektrische Signale um.
Diese elektrischen Signale kann
man mit Lautsprechern wieder
zu Schall zurück verwandeln.
5V
Vom Mikrofon zum Lautsprecher (Blockschaltbild).
Mikrofon
Verstärker
Lautsprecher
Schall
0 p fe il_ 0 1
0micro_01
Schall
elektrische
Stromschwankungen
verstärkte
elektrische
Stromschwankungen
Zusammenfassung: Alles was wir hören können ist Schall.
Dazu gehören Sprache und Musik, Geräusche und Lärm.
Schall ist unsichtbar und von Schallquellen aus immer
unterwegs. Wenn sich ein Körper hin und her bewegt,
schwingt er.
Körper, die schnell schwingen, senden Schall aus.
Man nennt sie dann Schallquellen.
Von unseren Ohrmuscheln wird der Schall aufgefangen;
er dringt durch den Gehörgang ins Ohr ein. Dort löst er
Hörempfindungen aus.
Wie das Ohr, so sind auch Mikrofone Schallempfänger.
Von der Schallquelle zum Schallempfänger.
Schall
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Schallempfänger
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2.
Schallschwingungen elektrisch sichtbar gemacht.
2.1
Ton, Geräusch, Knall
Mikrofon und Oszilloskop
1k
Versuch:
Das Oszilloskop empfängt die
Signale vom Mikrofon und
zeichnet sie auf den
Bildschirm.
5V
.
Ton
Geräusch
Knall
Stellt man eine Stimmgabel vor das Mikrofon und schlägt sie an, dann
schwingt sie mit der ihr eigenen Frequenz. Sie sendet den Schall zum
Mikrofon. Dieses fängt den Schall auf und wandelt ihn in elektrische Signale
um. Die werden über ein Kabel zum Oszilloskop geleitet und bewirken, dass
auch der Leuchtpunkt auf und ab schwingt. Genauso wie die Zinken der
Stimmgabel auf der Rußplatte.
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2.2
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Hoch, tief, laut, leise.
leiser tiefer Ton
lauter tiefer Ton
leiser hoher Ton
2.3
lauter hoher Ton
Untersuchung der Schwingungsbilder.
regelmäßige Schwingung = Ton
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unregelmäßige Schwingung = Geräusch
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Tonhöhe und Schwingungsbild.
hoher Ton
mittlerer Ton
tiefer Ton
Tonhöhe: Jeder Gegenstand, der gleichmäßig schwingt, erzeugt einen Ton.
Je schneller die Schwingungen, desto höher der Ton.
Schwingungsweite
Amplitude
Schwingungsweite
Amplitude
Lautstärke und Schwingungsbild.
leiser Ton (kleine Amplitude)
lauter Ton (große Amplitude)
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Lautstärke:
2.4
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Ein Ton ist um so lauter, je größer die Schwingungsweite
ist.
Frequenz, Eigenfrequenz.
Die Frequenz.
Da die Angabe viele, mittel viele oder wenige Schwingungen ungenau
ist,
haben sich die Physiker was ausgedacht:
Sie geben an, wie viele Schwingungen ein Gegenstand in einer
Sekunde macht.
Diese Angabe heißt Frequenz.
Frequenz = Anzahl der Schwingungen in der Sekunde.
Beispiel:
440 Schwingungen pro Sekunde = 440 Herz (Hz)
Je größer die Frequenz, desto höher der Ton.
Eigenfrequenz.
Wird eine Stimmgabel angeschlagen, so schwingt sie in einer ganz
bestimmten Tonhöhe (Frequenz).
Diese jeder Stimmgabel eigene Frequenz heißt Eigenfrequenz.
Stimmgabel
Kinderstimme
Männerstimme
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1400 Hz, 440 Hz, 128 Hz
150 - 300 Hz
80 - 250 Hz
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3.
Schallausbreitung
3.1
Kein Schall ohne Schallträger.
Versuch:
3.2
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Klingel unter einer Vakuumglocke betreiben ein Ohr
auf die Tischplatte legen, mit den Fingernägeln
kratzen.
Wie kommt der Schall an unser Ohr ?
Versuch:
Zwei Trommeln mit Tischtennisball.
Versuch:
Erzeugung einer Längswelle mittels
Schraubenfeder.
Longitudinalwelle mittels Ringmagneten.
Modell einer Longitudinalwelle.
Verdichtung
Zusammenfassung
3.3
Verdünnung
Verdichtung
Schall breitet sich nach allen Seiten aus.
Er benötigt dazu einen Schallträger.
Gase, wie Luft Festkörper, wie Holz und
Metall Flüssigkeiten wie Wasser sind
Schallträger. In ihnen breitet der Schall
sich aus.
Wie schnell ist der Schall ?
Versuch auf dem Sportplatz.
Lege eine Strecke von 200 m fest.
Ein Schüler steht mit einer Startklappe am Anfang der 200 m,
einer mit Stoppuhr am Ende.
Der Stopper startet die Uhr, wenn er sieht, dass die Klappe
zusammenschlägt.
Wenn der Stopper den Knall hört, stoppt er die Uhr und liest die Zeit ab.
Dann wird ausgerechnet, wie weit der Schall in 1 Sekunde gekommen
wäre. Das ist die Schallgeschwindigkeit.
Genaue Messungen ergeben, dass der Schall in Luft in jeder Sekunde
einen Weg von 340 m zurücklegt.
Das ist die Schallgeschwindigkeit in Luft.
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Versuch:
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Schnurtelefon (oder Fadentelefon)
Streichholz
mit
Knoten
Yoghurtbecher
Yoghurtbecher
Faden
schall_01
Das Fadentelefon
3.4
Schall kann umgelenkt werden.
Versuch:
Reflexion von Schall (Oszilloskop)
Flüstertüte.
Schall wird von harten und glatten Flächen reflektiert.
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4. Hörgrenzen, Empfindlichkeit des Ohrs.
Können wir jeden Schall mit unserem Ohr wahrnehmen ?
Tongenerator: hohe Töne .... tiefe Töne
Versuch:
Das menschliche Ohr hat Hörgrenzen.
Der Hörbereich eines jungen gesunden Menschen
liegt zwischen den Frequenzen 16 Hz und 18000 Hz.
Ganz tiefe Töne mit den Frequenzen bis 16 Hz nennen wir Infraschall.
Töne mit Frequenzen oberhalb von 18000 Hz nennen wir Ultraschall.
Lebewesen
Kind
Jugendlicher
Erwachsener
Delphin
Vogel
Hund
Katze
Fledermaus
Nachtfalter
Hörbereiche
16 Hz - 21000 Hz
16 Hz - 18000 Hz
16 Hz - 12000 Hz
150 Hz - 20000 Hz
200 Hz - 20000 Hz
15 Hz - 50000 Hz
60 Hz - 65000 Hz
1 Hz - 120000 Hz
3 Hz - 150000 Hz
Aufgaben:
1.)
Beschreibe, wie man Schwingungen mit der Stimmgabel
aufzeichnen kann.
2.)
Wie schwingt die Membran eines Lautsprechers bei lauten und
leisen bzw.
bei hohen und tiefen Tönen ?
3.)
Was ist gemeint, wenn jemand sagt:
"Die Stimmgabel schwingt mit einer Frequenz von 440 Hz"?
4. ) Beschreibe Aufbau und Wirkungsweise eines Klaviers.
5.)
Eine Gitarre hat 6 Saiten. Ein Gitarrenspieler kann mehr als 6
Töne erzeugen.
Wie macht er das ?
6.)
Wie kann man ein Xylophon bauen ?
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6.
Erzwungene Schwingungen, Resonanz, Musikinstrumente.
6.1
Die Eigenfrequenz.
Versuch:
An einem Faden werden verschiedene Schraubenschlüssel
aufgehängt. Werden die Schlüssel angeschlagen, so erzeugt
jeder einen eigenen Ton. Jeder Schlüssel schwingt mit einer
ganz bestimmten Frequenz, mit seiner Eigenfrequenz.
klang_01
Töne:
tief
hoch
Jeder schwingende Gegenstand hat eine bestimmte, zu ihm passende
Eigenfrequenz.
6.2
Erzwungene Schwingungen.
Versuch:
Eine Stimmgabel wird angeschlagen und an verschiedene
Gegenstände gehalten. Der Ton wird manchmal lauter.
Der Ton ist am lautesten bei einer Stimmgabel mit Klangkasten.
Das liegt daran: Die Stimmgabel lässt einige
Gegenstände in der gleichen Frequenz
mitschwingen,
so dass diese den Ton verstärken. Dieses
Mitschwingen nennen wir erzwungene Schwingung.
Eine Schallquelle kann andere Körper zu
erzwungenen Schwingungen anregen.
Dadurch werden Töne und Geräusche lauter.
Versuch für zu Hause: Stelle einen mechanischen
Wecker in eine Blechschüssel und lasse ihn
klingeln.
Wann ist das Klingeln lauter ?
(mit oder ohne Schüssel ?)
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Stimmgabel mit Klangkasten.
Eine Stimmgabel, die fest auf einen Klangkasten montiert ist, lässt diesen immer
in ihrer eigenen Frequenz mitschwingen. Dadurch wird der Ton der Stimmgabel
um einiges verstärkt. (Erinnere dich auch an den Nagelkasten, dort lassen die
angeschlagenen Nägel den Kasten mitschwingen.)
Zusammenfassung: Zusammenfassung „Erzwungene Schwingungen“.
Ein Gegenstand, oft mit größer Fläche, wird von einer
Schallquelle zum Mitschwingen gezwungen. Die
Schallquelle zwingt dabei dem Gegenstand
ihre Frequenz auf. Beide schwingen mit der Frequenz
des Erregers. Der Schall wird verstärkt.
6..3
Resonanz.
Versuch: Wir haben zwei gleiche
Stimmgabeln auf Klangkästen. Wenn du
eine Stimmgabel anschlägst, hörst du
einen klaren reinen Ton. Der Klangkasten
verstärkt diesen Ton, er wird lauter. Da
beide Stimmgabeln gleich sind, schwingen
sie mit der gleichen Eigenfrequenz. Sie
senden den gleichen Ton aus.
Kann eine Stimmgabel die andere zum
Mitschwingen anregen ?
Wenn beide Gabeln die gleiche
Eigenfrequenz haben, tönt auch die nicht angeschlagene Gabel. Sie wird zum
Mitschwingen gezwungen. Sie sendet sogar noch Schall aus, wenn die
angeschlagene Gabel gestoppt wird. Dieser Vorgang heißt Resonanz.
Von Resonanz spricht man, wenn ein schwingender Gegenstand einen
anderen mit dessen Eigenfrequenz zum Schwingen anregt.
Resonanzschwingungen sind besonders heftig.
Resonanz muss man vermeiden.
Beispiel 1: Ein klapperiger LKW klappert vor der Ampel, wenn der Motor im
Leerlauf dreht oft lauter als wenn er fährt.
Grund: Der Motor versetzt Teile des LKW’s in Resonanzschwingungen.
Einzelne Teile können sich lösen oder abbrechen.
Beispiel 2: Ein Autoreifen, der nicht richtig ausgewuchtet ist, kann bei
bestimmten Geschwindigkeiten das Lenkrad und Teile des Autos in
Resonanzschwingungen versetzen.
Beispiel 3: Soldaten dürfen auf einer Brücke nicht im Gleichschritt
marschieren. Sie können Tritt für Tritt die Brücke in ihrer Eigenfrequenz
anregen. Die Brücke könnte einstürzen.
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Beispiel 4: Auf der Schaukel ist Resonanz erwünscht. Wenn du immer im
richtigen Augenblick Schwung gibst oder dich anschubsen lässt, schwingt die
Schaukel immer heftiger.
Beispiel 5: Hochspannungsleitungen können von Stürmen oder Orkanböen zu
so heftigen Schwingungen gezwungen werden, dass sie abreißen.
Beispiel 6: Angeblich soll es Sänger geben, die mit ihrer Stimme Gläser zum
Zerspringen bringen können.
Musikinstrumente haben keinen Resonanzkörper.
Viele Musikinstrumente haben Klangkästen um den Ton zu verstärken. Die
Klangkästen müssen so gebaut werden, dass sie niemals in
Resonanzschwingungen versetzt werden.
Das würde bei einer Geige bedeuten, dass die Geige bei einem bestimmten
Ton besonders laut tönt. Das ist unerwünscht.
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Schall in Festkörpern.
Versuch:
Ein Wecker wird auf den Tisch gestellt, das Ohr auf den Tisch
gedrückt. Der Wecker wird mit verschiedenen Stoffen
unterlegt.
Stoff
Holz
Schaumstoff
Metall
Schwamm
gut
schlecht
x
x
x
x
Harte und feste Stoffe übertragen den Schall gut.
Weiche und poröse Stoffe dämmen ihn.
Geräusche im Haus:
Wassergeräusche Dusche oder Toilette
Stereoanlage vom Nachbarn
Stimmen, Klopfen, Staubsaugen
Trittgeräusche, Heizungsanlage.
All diese Geräusche empfinden wir als störend.
Wie kann beim Hausbau Vorsorge getroffen werden, dass all diese störenden
Geräusche nur minimal auftreten ?
Schalldämmung mit weichen Materialien (Schaumstoff, Steinwolle ... )
7.1
Schall in Flüssigkeiten.
Geht Schall auch durch Flüssigkeiten ?
Beispiele:
Wasser
Schall im Schwimmbecken unter Wasser.
Delphine und Wale können sich über große Strecken unter
verständigen.
Wasser und andere Flüssigkeiten können Schall übertragen.
Zusammenfassung:
Luft, aber auch feste Stoffe und Flüssigkeiten
übertragen Schall.
Sie sind Schallträger. Ohne einen Träger kann sich
Schall nicht ausbreiten.
Harte Gegenstände aus Metall, Glas, Beton oder
Stein und Flüssigkeiten übertragen Schall gut.
Weiche und poröse Stoffe (z.B. Styropor,
Mineralwolle, Gummi und Schaumstoff) dämmen
ihn.
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Echo und Richtungshören.
Was ist ein Echo, wie kommt es zustande?
Du stehst vor einem Berg und rufst Hallo. Nach zwei Sekunden hörst du das
Echo. Wie weit ist der Berg entfernt ?
1 Sek
Hallo
Hallo
hin
unde
ück
e zur
d
n
u
k
1 Se
echo_01
Wie weit ist der Berg entfernt ?
Der Berg ist genau 340 m vom Rufer entfernt,
da der Schall in 1 s genau 340m zurück legt.
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