Fachlicher Hintergrund

Töne
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Aspekte des fachlichen Hintergrunds dieser Versuchsreihe
Wir leben in einer Welt, die erfüllt ist von Schall.
Täglich sind wir von den verschiedensten Tönen, Klängen und Geräuschen umgeben. Vom donnernden Geräusch eines startenden Flugzeugs bis zum leisen Rascheln der Blätter, von wunderbar harmonischer Musik bis zum unerträglichen Kreischen von Maschinen reicht die Bandbreite
der Schalleindrücke.
Sie enthalten lebenswichtige Informationen und dienen der Kommunikation.
Das Organ, das uns mit dieser vielfältigen Welt der Schalls verbindet, ist das Ohr – ein unglaubliches Meisterwerk der Natur.
Die Akustik (griech: akustein = hören) ist die Wissenschaft, die dem Schall und den Gesetzlichkeiten dieser Phänomene auf der Spur ist.
Was ist Schall eigentlich?
Schall ist die räumliche Ausbreitung von Druckschwankungen in einem Medium, zum Beispiel in der
Luft.
Diese Druckschwankungen können durch schwingende Gegenstände erzeugt werden.
Lässt man zum Beispiel ein über die Tischkante hinausragendes Lineal schwingen, so wird die Luft
über dem Lineal in rascher Folge verdichtet oder verdünnt, d. h. der Druck schwankt periodisch.
Das Lineal stößt die Luftteilchen seiner Umgebung an, dieser Energiestoß wird weitergeleitet und
zwar nach allen Seiten – eine „Schallkugel“ breitet sich aus – wenn die Schallwellen an unser Ohr
kommen, hören wir.
Wie kann man sich eine „Druckschwankung“ - eine „Schallwelle“ – vorstellen?
Um das zu verstehen, ist es notwendig, die Beschaffenheit der Luft zu kennen. Luft besteht aus Luftmolekülen, die sich in einer dauernden, aber nicht geordneten Bewegung befinden.
Eine Schallquelle wirkt auf die Luftteilchen ein.
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Ausbreitungsrichtung
Luftteilchen schwingen ungeordnet umher.
A
B
C
D
E
Ein Gegenstand wird in Schwingung versetzt und drückt so auf die Luftteilchen.
Sie werden zusammengedrückt – der Druck setzt sich im Raum fort.
Die Luftteilchen schwingen vor und zurück.
Dabei verdichtet sich die Luft in Druckwellen.
Durch das Hin- und Herschwingen der Teilchen verdünnt sich die Luft zwischen den Druckwellen.
F Die Druckwelle setzt sich solange fort, wie sie Impulse der Schallquelle bekommt.
Diese Druckwelle breitet sich nicht nur linear, sondern „kugelförmig“ im Raum aus.
Man kann diese Wellen natürlich nicht sehen, aber manchmal spüren!
Schallwellen sind „mechanische“ Wellen:
Es wird kein „Stoff“ transportiert, sondern es wird Energie übertragen. Schallwellen breiten sich „rundherum“ aus – die Druckwellen pflanzen sich wie Kugelschalen aus verdichteter und verdünnter Luft
fort.
Wasserwellen hingegen breiten sich nur an der Oberfläche aus. Sie gehorchen anderen Gesetzlichkeiten. Das sollte man wissen, wenn man im Wasser sichtbare Wellen zur Veranschaulichung für
die unsichtbaren Schallwellen heranzieht. Solche Schallwellen können sehr unterschiedlich sein, je
nachdem wie stark der Druck schwankt bzw. wie oft eine Druckwelle pro Sekunde schwingt. Mit Hilfe
eines mathematischen Diagramms kann man das bildlich verdeutlichen:
T = Schwingungsdauer
y0 = Amplitude
t = Zeit
Senkrechte Achse
Waagrechte Achse
Wie stark schwankt der Druck?
Amplitude: Höhenausschlag der Schwingung
Wie oft pro Sekunde schwankt der Druck?
Frequenz: Zahl der Schwingungen pro Sekunde. Je schneller die Schallquelle schwingt,
umso höher ist die Frequenz einer Schwingung, umso höher ist der jeweilige Ton.
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Dieses Bild darf nicht als „Abbild“ einer Schallwelle verstanden werden!
Tonhöhe
Lautstärke
hoher Ton
leiser Ton
tiefer Ton
tiefer Ton
Auf der waagrechten Zeit-Achse (t = von lat. tempus = Zeit) des Diagramms kann man ablesen, wie
oft pro Sekunde eine Druckwelle schwingt.
Eine gebräuchliche Stimmgabel beispielsweise schwingt 440-mal in der Sekunde regelmäßig.
Der Ton, der dabei entsteht, wird „Kammerton A“ genannt. („Kammerton“ bedeutet, dass alle Instrumente einer Gruppe auf diesen Ton eingestimmt werden.)
Es gibt ein Maß für die Frequenz: 1 Schwingung pro Sekunde = 1 Hertz = 1 Hz
(benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz)
Der Ton A hat daher eine Frequenz von 440 Hertz.
Beim Sprechen entstehen Frequenzen von 100 bis 1 000 Hz.
Höchste hörbare Frequenz: 20 000 Hz (nur bei jungen Menschen!)
Tiefste vom Menschen hörbare Frequenz: 16 Hz.
Ton, Klang oder Geräusch?
Schall kann sich in sehr unterschiedlicher Weise ereignen.
Ton
Klang
y
y
t
Einem Ton liegt eine reine „Sinusschwingung“
zugrunde, d. h. die Druckschwankungen erfolgen absolut regelmäßig. Die Amplitudengröße
der Schwingung gibt dabei die Lautstärke, die
Frequenz hingegen die Höhe des Tones an.
t
Ein Klang entsteht durch die Überlagerung
mehrerer Töne: Mehrere Schwingungen
überlagern sich. Der Ton mit der niedrigsten
Frequenz bestimmt die Tonhöhe der gesamten
Schallempfindung, die anderen – so genannten „Obertöne“ – bewirken den Eindruck der
Klangfarbe.
Bei der Verwendung der Begriffe Ton und Klang muss man zwischen der Sprache der Physik und der
Sprache des Alltags bzw. der Musik unterscheiden. Ein Geräusch entsteht durch unregelmäßige
Schwingungen einer Schallquelle. Charakteristisch für ein Geräusch sind unrythmische Frequenzen.
Ein Grundton ist nicht mehr erkennbar.
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Im Sprachgebrauch der Musik wird für den Klang einer Gitarrensaite oder eines schwingenden Lineals der Begriff „Ton“ verwendet. Dies ist physikalisch nicht richtig, da ein Ton wirklich nur auf einer einzelnen Frequenz basiert, der „Ton“ einer Saite hingegen aus mehreren Frequenzen, die harmonisch
zueinander passen. Im physikalischen Sinne müsste man also von Klängen sprechen.
Geräusch
Knall
y
y
t
Ein Geräusch entsteht durch unregelmäßige
Schwingungen einer Schallquelle. Charakteristisch für ein Geräusch sind unrythmische
Frequenzen. Ein Grundton ist nicht mehr
erkennbar.
t
Eine kurze und sehr starke Druckschwankung
wird als Knall bezeichnet. Beispiele für einen
Knall sind ein platzender Luftballon oder die
Explosion eines Knallkörpers.
Warum gibt eine angeschlagene Stimmgabel einen Ton von sich?
Durch Anblasen, Anzupfen, Anschlagen oder Ähnliches wird ein Körper - beispielsweise die Stimmgabel - in Schwingung versetzt. Sie schwingt eine Zeitlang hin und her. Diese Vibrationen kann man
oft sogar sehen. Diese Schwingungen werden auf die Luft übertragen und gelangen so an unser
Ohr. Solche Schallquellen können nicht nur feste, sondern auch flüssige (rauschendes Wasser) oder
gasförmige (Luft in einem Blasinstrument) Körper sein.
Wie schnell breitet sich Schall aus?
Schall breitet sich nicht nur in einem gasförmigen Medium wie der Luft aus, sondern auch in Flüssigkeiten oder festen Körpern.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist vom jeweiligen Medium abhängig. Dabei spielt für eine genaue
Bestimmung auch die Temperatur eine Rolle, weil sie ja die Dichte der Teilchen verändert.
Die Geschwindigkeit des Schalls :
In gasförmigen Körpern
bei 20°C
In flüssigen Körpern
bei 20°C
In festen Körpern
bei 20°C
Luft: 334 m/s
Wasser: 1480 m/s
In festen Stoffen breitet sich
Schall sogar noch viel schneller aus:
Holz: 3380 m/s
Beton: 3800 m/s
Stahl: ca. 5500 m/s
Wie verhält sich Schall, wenn er sich ausbreitet?
Die Schallwelle wird zunächst erzeugt durch das Anregen einer Schallquelle – Zupfen, Stampfen,
Klopfen, Reiben, … wobei die Moleküle und Atome der Materie sich von ihrem Platz „wegbewegen“
und wieder „zurückkehren“ – sie beginnen zu schwingen. Dabei entstehen Druckwellen, die an das
Medium, das den Körper umgibt, weitergegeben werden und sich in diesem ausbreiten.
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Dabei wird die Tonhöhe (Frequenz) festgelegt. Sie verändert sich nicht weiter. Der Ton eines Instruments hat auch in weiter Entfernung die gleiche Tonhöhe.
Während die Frequenz also nur davon abhängig ist, wie der Ton erzeugt wird, ändert sich die Geschwindigkeit je nach dem Medium, in dem sich die Schallwellen ausbreiten.
Aber auch der Schalldruck – ablesbar an der Höhe der Amplitude – ändert sich. Er nimmt mit der
Entfernung ab, da sich der Schall in alle Richtungen ausbreitet. Der Hauptgrund liegt darin, dass sich
mit zunehmendem Abstand zur Schallquelle die Fläche, auf die der Schalldruck wirkt, vergrößert. Je
größer nun die Fläche ist, desto geringer ist der Druck.
Schallwellen können außerdem reflektiert (zurückgeworfen), gebrochen (in der Ausbreitungsrichtung
verändert) und gebeugt werden. So kann Schall sich auch um Kanten herum, durch Spalten und um
Hindernisse herum ausbreiten. So können wir auch das Geräusch des Fernsehers in einem anderen
Raum genau so gut hören, selbst wenn die Tür nur einen Spalt offen steht.
Schall kann auch absorbiert werden – „aufgesogen wie Wasser in einem Schwamm“. Die Schallenergie verliert sich beispielsweise in einem absorbierenden Material, das zur Schalldämpfung angebracht wird.
Wie kommt der Schall in unser Ohr?
Unsere Ohren sind ein höchst leistungsfähiges, aber auch sehr empfindliches Sinnesorgan.
Die drei wichtigsten Teile sind:
Außenohr
Mittelohr
Innenohr – das eigentliche
Gehörorgan
Die Ohrmuschel fängt die
Schallwellen auf und leitet sie
nach innen.
Die Schallwellen versetzen
das Trommelfell in Schwingung. Die drei Ohrknöchelchen nehmen die Schwingungen auf und geben sie an das
„ovale Fenster“ weiter. Sie
sind so konstruiert, dass sie
den Druck der Schallwellen
um das 90-fache verstärken.
Im komplizierten und komplexen Gebilde des Innenohres
befinden sich Sinneszellen,
die Härchen tragen. Diese
werden durch die Schallwellen
bewegt. Der Reiz wird verarbeitet und durch den Gehörnerv ans Gehirn weitergeleitet.
Bogengänge
Ohrmuschel
Steigbügel
Amboss
Hammer
Gehörgang
Gehörnerv
zum Gehirn
Schnecke
Trommelfell
Ohrtrompete zum Rachen
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Das Ohr ist in der Lage, die von den Schallwellen ausgelösten Bewegungen des Trommelfells – sie
liegen im Zehntel- und Hundertstelmillimeterbereich – als Informationen an das Gehirn zu leiten, wo
diese analysiert und gespeichert werden.
Warum brauchen wir zwei Ohren?
Wenn die Schallwellen sich um uns herum ausbreiten, treffen sie nicht ganz zeitgleich auf jedes
Ohr. Ein Ohr „hört“ um Sekundenbruchteile früher als das andere, je nachdem aus welcher Richtung
der Schall kommt. Aus dieser Zeitdifferenz berechnet das Gehirn die Richtung und Entfernung der
Schallquelle.
Wie empfindlich sind unsere Ohren?
Sehr! Wenn man sich vor Augen hält, wie leistungsfähig dieses Organ ist und wenn man sich nur einigermaßen über die ungeheure Komplexität des Hörvorganges im Klaren ist, dann ist ein pfleglicher
Umgang wohl selbstverständlich.
Die Lautstärke wird dabei nicht von jedem Menschen gleich empfunden, bis zu einem gewissen Grad
kann man sich an laute Geräusche gewöhnen und diese zeitweilig sogar ausblenden, um sich anderen Dingen zu widmen. Dies geht jedoch nur bis zu einem gewissen Grade. Kurzzeitige, sehr laute
Schallereignisse wie beispielsweise ein zu nah abgefeuerter Feuerwerkskörper, können irreparable
Schädigungen des Gehörs hervorrufen. Aber auch bereits Lautstärken von 90 Dezibel und mehr, die
über längere Zeit auf unser Gehör einwirken, können größere Schäden bewirken. Dies sollte den
Kindern ausdrücklich klar gemacht werden!
Über die physikalische Erforschung des Phänomens Schall hinaus können viele interessante Themenkreise angesprochen werden, wie:
• Mein Körper – meine Sinnesorgane
• Gesundheitserziehung
• Hören und Kommunikation
• Tiere und ihre Gehörleistungen
• Lärm – Lärmschutz
Literaturangabe
Dr. G.-D. Schmidt (Hrsg.) (2005): Kleiner Leitfaden Naturwissenschaften. Duden Berlin
Lapp, Ralph (1966): Schall und Gehör. TIME-LIFE international
Die Welt des Schalls, Themenheft Grundschule Sachunterricht 4 (1999). Friedrich Verlag, Seelze /
Velber
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