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1 Die Welt der Töne Der Schall Die Luftmoleküle schwingen längs (longitudinal) der Ausbreitungsrichtung. ,Longitudinalwellen‘ (Druck­ wellen) haben keine Wellenberge und -täler wie ,Trans­ versalwellen‘ und bewegen sich als Verdichtungen und Verdünnungen fort. Jede Materie – ob fest, flüssig oder gasförmig – kann Schall übertragen. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft beträgt bei 20 Grad ca. 343 Meter pro Sekunde, im ­Wasser ca. 1.500 m/s, im Eisen ca. 5.100 m/s. ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs Schall ist eine momentane und örtliche Änderung des Druckes und damit der Dichte einer Materie. Eine Schall­ quelle, ein elastischer Körper (Holz, Saiten, Luftsäule etc.) wird ‚aus der Ruhe‘ gebracht, verdrängt die ihn umgebenden Moleküle und zwingt sie zur Bewegung. Diese Schallwellen pflanzen sich von der Schallquelle aus in Kugelform fort. Der Weg des Schalls vom Klangerzeuger zum Ohr Ê Nach dem Anschlagen schwingt die Stimmgabel. Der Resonanzkörper (Holzkästchen) überträgt diese Schwingungen verstärkt auf die Luft. Ë Die schwingenden Luft­ moleküle geben ihre Be­ wegung an benachbarte weiter; dadurch breitet sich die Schallwelle in alle Richtungen aus. Man kann diese regelmäßigen Verdünnungen und Ver­ dichtungen der Luft als Linien sichtbar machen. Ì Schließlich erreicht die Schallwelle das Ohr und das Gehirn erkennt den Ton der Stimmgabel. Wir können ‚Frequen­ zen‘ von etwa 15 bis 20.000 Hertz (Schwingungen pro Sekunde) hören. Amplitude Luftmoleküle Ei Wellenlänge Ton/Geräusch Unregelmäßige (aperio­ dische) Schwingungen nennt man Geräusche, regel­mäßige Töne bzw. Klänge. 6 Wege zur Musik 1 Geräusch – Ton – Klang Treffen auf unser Ohr viele unregelmäßi­ ge Einzelschwingungen, so hören wir ein Geräusch. Ist die Bewegung regelmäßig, spricht man von periodischen Schwin­ gungen. Diese erzeugen den Schall, den wir als Ton/Klang wahrnehmen. 0 5 10 ms Geräusch, unperiodisch © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Der Schall Amplitude und Frequenz Als harmonisch wird eine Schwingung bezeichnet, wenn sie als ,Sinusfunktion‘ beschrieben werden kann. Dabei gilt: Wenn die ‚Ampli­ tude‘ einer Schwin­ gung größer wird, erhöht sich die Laut­ stärke. ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs 1 Nimmt die ‚Frequenz‘ einer Schwin­ gung zu – die Wellenlänge ab – wird der Ton höher. Das Maß der Frequenz ist Hertz1 (Hz). Ein Hertz bedeutet eine Pe­ riode pro Sekunde. Der Frequenzbereich des menschlichen Hörens ist individuell verschieden, im Durchschnitt hört ein Erwachsener Töne zwischen 16.000 und 20.000 Hz. Ordne die vier abgebildeten Wellenformen nach der Lautstärke (von leise zu laut) und nach der Tonhöhe (von tief zu hoch). Lautstärke/Tonhöhe Die Amplitude bestimmt die Lautstärke, die Wel­ lenlänge die Tonhöhe. A B leise C D laut hoch tief Oszillogramme Ei Ein natürlicher ‚Ton‘ besteht in der Regel aus einer Summe von ‚Sinustönen‘, die als Teil- oder Partialtöne zu einem Ganzen verschmelzen. Physikalisch betrachtet sind sie dann keine Töne mehr, sondern ‚Klänge‘. Die ,Oszillogramme‘ (Schallaufzeichnung mittels eines ,Oszillografen‘) zeigen links eine einfache Sinuskurve, rechts dagegen die komplizierte Überlagerungs­ kurve eines natürlichen Klanges (gesungener Vokal a). Die Zahl und Stärke der zusätzlichen Teiltöne bestimmen die Klangfarbe. 5 10 ms Töne/Klänge Musikalische ‚Töne‘ sind fast immer ein Gemisch von mehreren periodi­ schen Schwingungen, es sind ‚Klänge‘ mit einer bestimmten Klangfarbe. A 0 Hunde hören bis zu 50.000 Hz. 0 5 10 ms 1 Benannt nach dem Physiker Heinrich Hertz, 1857–1894, der als erster Versuche über die Ausbreitung elektromagne­ tischer Wellen machte. © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Wege zur Musik 1 7 1 Die Welt der Töne Teiltonreihe Harmonische Partial- oder Teiltöne entsprechen der ‚Naturtonreihe‘. Diese kann man anhand der Schwingungen einer Saite in ihrer Gesamtheit (Grundton) oder in Teilen (Obertöne) veranschaulichen. Teiltöne Die ‚harmonischen‘ Teil­ töne eines Klanges ste­ hen physikalisch fest. Sollten unharmonische Teiltöne beteiligt sein, spricht man von Ton­ gemisch. 1 Grundton (1. Teilton) 2 2. Teilton = 1. Oberton, eine Oktave höher als 1 ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs 3 3. Teilton, eine Quint höher als 2 4 4. Teilton, eine Quart höher als 3 5 5. Teilton, eine große Terz höher als 4 6 6. Teilton, eine kleine Terz höher als 5 7 7. Teilton 008 Notenbild der Partialtöne Notenbild der Partialtöne ? 1 w 2 3 w w & Oktav Quint Quart 1:2 2:3 3:4 Flageolett Ei Das Flageolett-Spiel (sie­he Aufgabe 1) ist auf vielen Saiteninstrumenten mög­ lich: Der Spieler erzeug t an bestimmten Punk ten durch leichten Fingerdruck einen Schwingungsknoten und schlägt/zupft dann die Saite an. bw bw nw w w w #w w w b w w w w 4 5 6 große kleine Terz Terz 4:5 5:6 7 8 9 10 großer kleiner Ganzton Ganzton 8:9 9:10 11 12 13 14 15 16 diatonischer Halbton 15:16 1 Du kannst die Teiltöne mit einer Gitarre sichtbar und hörbar machen: An­ zupfen einer ganzen Saite ergibt den 1. Teilton (Grundton). Wenn du die Saite genau in der Mitte, bei einem Drittel, einem Viertel usw. leicht be­ rührst und die Saite dann anzupfst, hörst du (leiser als den Grundton) die abgebildeten weiteren Teiltöne (,Flageolett‘-Technik). Je höher du kommst, desto anspruchsvoller wird das Experiment. 2 Hör eine Tonaufnahme und verfolge dabei die Partialtöne im Noten­bild. A 1 8 Wege zur Musik 1 © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Der Schall 3 Einen Beweis für das Vorhandensein von Teiltönen kannst du in einem zwei­ stufigen Experiment (Teilaufgabe a und b) finden: Ein klingender Körper bringt einen anderen mit derselben Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) zum Mitklingen. ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs a.Besorg dir ein Stimmgabelpaar mit Klammer. Wenn beide ganz gleich gestimmt sind (ohne Klammer!), kannst du verfolgen, dass beim Anschlagen einer Gabel die andere mitklingt. Die erste Gabel sendet Wellen aus, die zweite wird da­ durch zur Schwingung angeregt, wenn sie dieselbe ‚Resonanzfrequenz‘ hat. Wenn man die Stimmung einer Gabel durch Aufsetzen der Klammer leicht verändert, tritt dieses Phänomen nicht auf. Schwingungs­ übertragung 2 Stimmgabeln Schwingungsübertragung b.Drück am Klavier einen der Teiltöne 2 bis 6 aus der Naturtonreihe stumm nieder, dadurch hebt sich der Dämpfer dieser Saite hoch und die Saite kann frei schwingen. Schlag nun kurz und kräftig den Grundton C an. Der Teilton schwingt mit und beginnt zu klingen. Mit beliebigen anderen Tönen funktio­ niert der Versuch nicht. Was hast du damit bewiesen? Ei Konsonanz und Dissonanz Die ganzzahligen Teilungsverhältnisse erkannte schon der griechische Philosoph Pythagoras durch Versuche. Oktav, Quint und Quart (Abstände zwischen den Teiltönen 1 bis 4) galten in der griechischen Antike als Konsonanzen (Wohlklänge), spätestens seit der Renaissance auch Terzen und Sexten. Alle anderen Interval­ le (mit komplizierteren Teilungsverhältnissen) empfindet unser Gehör meist als dissonant (Missklang), doch spielen bei dieser Einschätzung Tradition und Hör­ gewohnheit eine große Rolle. © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Von Pythagoras leitet sich eine Weltanschauung ab, deren Anhänger sich Pythagoreer nennen. Sie gehen davon aus, dass der Kosmos eine nach bestimmten Zahlenverhältnissen aufgebaute harmonische Einheit bildet und dass nicht nur in der Musik, sondern in allen Lebens­ bereichen dieselben Gesetzmä­ ßigkeiten gelten (sollten). Wege zur Musik 1 9 1 Die Welt der Töne Klangfarbe Bei der menschlichen Stimme und bei Musikinstrumenten klingt also außer dem Grundton noch eine Reihe von harmonischen Teiltönen in verschiedener Stärke mit. Sie bilden das so genannte Teiltonspektrum, das die Klang­ farbe – bei Sängern spricht man gern von ‚Timbre‘ – bestimmt. Das Hervortreten von Teiltönen bei einem Instrument ist von dessen Bau abhängig. Aber auch die Instrumente einer Gattung haben als Einzelexemplare eine spezielle Klangfarbe (z. B. hat jede Violine ihre besondere Klangfarbe). 1 Auf der Gitarre kannst du schärfere und weichere Klänge (mit mehr oder mit weniger Obertönen) erzeugen. Experimentiere: Zupf die Saiten näher beim Steg oder in der Mitte bzw. über dem Schallloch an. 2 Hör die Klangbeispiele zu fünf Instrumenten und kreuz an. Orientier dich bei Tonhöhe und Lautstärke am ersten Beispiel. Klangfarbe ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs Die Klang farbe (eines Instruments) ist abhän­ gig von der Anzahl, Aus­ wahl und Lautstärke der Obertöne, oft beeinflusst durch die Spielweise. Verwende folgende Begriffe zur Beschreibung der Klangfarbe (oder finde eigene): dumpf – dunkel – durchdringend – hart – hell – hölzern – klar – lieblich – metallisch – rau – sanft – schnarrend – schrill – trocken – weich – zart 3 Klangschale 4 Horn 5 Fagott ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( Klangfarbe laut Akkordeon ( ( ( leise 2 Lautstärke hoch Blockflöte tief Tonhöhe 1 A 2 Was haben alle Beispiele gemeinsam? Wodurch unterscheiden sie sich? Ein- und Ausschwingvorgang Ei Den Übergang eines Schallerzeugers vom Ruhezustand in den schwingenden Zustand nennt man Einschwingvor­ gang. Der gegenteilige Übergang (Abnahme der Amplitude durch Energieverlust) heißt Ausschwingvorgang. Diese Vorgänge finden in Sekundenbruchteilen statt und sind neben der Klangfarbe für das Erkennen eines Instrumentes von großer Bedeutung (siehe auch Seite 37). a b c t (sec) 10 a. Einschwingzeit Wege zur Musik 1 b. ungedämpfte Welle c. Ausschwingzeit © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Der Schall 3 Für einen typischen Instrumentenklang sind Ein- und Ausschwingvorgang ebenso wichtig wie die Klangfarbe. Hör Tonbeispiele (mit Ansagen) zum Trompetenklang (a) und zum Klavierklang (b). Be­ schreib dann kurz die Auswirkungen der angegebenen ,Manipulationen‘ M auf die Erkennbarkeit des Instrumentenklanges. a.Trompete b.Klavier 1: weiches, allmähliches Anblasen des Tones; 2: direktes, hartes ,Anstoßen‘ des Tones; M 3: 1+2 ohne natürlichen Einschwingvorgang; M 4: 1+2 mit vertauschten Ein- und Ausschwingvorgängen; 5: ,normaler‘ Trompetenklang A 3 1: Ausschnitt aus W. A. Mozarts Klavier­ sonate c-Moll KV 457; M 2: dasselbe Beispiel, aber mit Schwin­ gungsverlauf rückwärts Erkenntnis: Resonanz ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs Erkenntnis: Ein weiteres akustisches Phänomen ist das Mitschwingen von Körpern in einer Frequenz, die ihrer Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) nicht entspricht. Wir sprechen in diesem Fall von ‚erzwungener‘ Resonanz. Wir kennen das von Resonanzkörpern bei Musikinstrumenten. Sie sind so konstruiert, dass sie viele Eigen­ frequenzen enthalten, die idealerweise den gesamten Tonumfang des Instruments abdecken. So schwingt der Resonanzkörper bei allen mit dem Instrument erzeugbaren Tonhöhen gut mit. Keinen Resonanzkörper haben/benötigen in der Regel Aerofone und Elektrofone. 1 Testet mit einer Stimmgabel die Resonanzfähigkeit von acht Klassenzimmer-Gegenständen (z. B. Schrank) bzw. Körperteilen (z. B. Bauch). Stellt zuerst fest, wie gut die Resonanz jeweils ist und kreuzt in der linken Spalte der Tabelle die Eigenschaften der Resonanz an. Kreuzt dann jene Eigenschaften des Gegenstandes an, die am ehesten zutreffen. Eigenschaften der Resonanz gut mittel schlecht Eigenschaften des Gegenstandes eher eher groß klein hohl gefüllt eher eher weich hart Ei Gegenstand/ Resonanzkörper Summe: Auswertung: Zieht in der rechten Spalte alle Kreuze bei Gegenständen, die ihr als gut/mittel beurteilt habt, farbig nach. Zählt schließlich zusammen, wie viele Kreuze sich bei den einzelnen Eigenschaften befinden und tragt die Zahl unten ein (Summe). Schreibt die drei Eigenschaften mit den meisten Punkten in den Ergebnissatz. Ergebnissatz: Gute Resonanzkörper sind eher © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp , und . Wege zur Musik 1 11 1 Die Welt der Töne Das Ohr ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs Die Schallwellen werden von der Ohr­ muschel aufgefangen und gelangen über den äußeren Gehörgang zum Trommelfell. ­Diese Membran überträgt die Schwingungen vom äußeren Ohr auf die im luftgefüllten Mittel­ohr (rot) aufgehängten, miteinander verbundenen Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel). Sie verstärken die In­ tensität der Schwingungen etwa bis auf das Zwanzigfache; für den Druckausgleich sorgt die Ohrtrompete. Der Steigbügel gibt die verstärkten Druck­wellen über das ovale Fenster an das mit Flüssigkeit gefüllte Innenohr (lila) wei­ ter. Im Innenohr (auch Schnecke genannt) befindet sich das Cortische Organ. Es ist mit ca. 20.000 Sinneshärchen besetzt, die mit Nervenfasern in Verbindung stehen. Diese Härchen setzen den hydrau­ lischen Druck in elektrische Impulse um, die durch einen Nerv zum Gehirn weitergeleitet werden, wo es schließlich zur Hörempfindung kommt. Gehörsinn Ei „Das Auge führt den Menschen in die Welt, das Ohr führt die Welt in den Menschen“, sagte der Naturforscher Lorenz Oken im 19. Jahrhundert. Bereits wenige Tage nach der Befruch­ tung beginnt der nicht einmal ein Millimeter große Embryo Ohransätze auszubilden. In der 17. Woche ist die Hörschnecke (Cochlea) bereits vollständig und in ihrer endgültigen Größe entwickelt und das Gehör ist funktionsfähig. Später nehmen wir dann die meisten Eindrücke mit den Augen auf. Trotzdem messen unsere Ohren Sinnesreize viel genauer als die Augen, und das den ganzen Tag lang. Auch im Schlaf nehmen die Ohren Geräu­ sche wahr und melden sie dem Gehirn. Keiner der übrigen Sinne des Menschen ist so genau wie der Gehörsinn. Er kann z. B. winzigste Positionsunterschiede von Schallquellen erkennen. Das Gehirn wertet den Zeitunterschied des eintreffenden Schalls auf die Ohren aus und bestimmt so die Position der Schallquelle. Das Gehör ist auch sehr anpassungsfähig. Sprechen mehrere Personen gleichzeitig, können wir eine Person ‚herausfiltern‘ und verstehen. 1 Testet euer Richtungshören: Geh mit einem Partner/einer Partnerin an einen stillen Ort und verbinde ihm/ihr die Augen. Begib dich dann irgendwo in den Raum und lass ein leises Geräusch ertönen (Schnippen, Pfeifen, Piepsen einer Uhr …). Dein/e Partner/in zeigt auf die vermeintliche Schallquelle. Protokolliere und prüf in zehn Versuchen die Richtigkeit der Angaben. Wie­ derholt dann den Versuch, wobei sich dein/e Partner/in ein Ohr zuhält. Was ist das Ergebnis eures Experiments? 1 mit beiden Ohren 2 3 4 5 6 7 8 9 10 richtig nicht erkannt mit einem Ohr richtig nicht erkannt Ergebnis: 12 Wege zur Musik 1 © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Der Schall Hörschäden Werden wir einem starken Knall oder länger andauerndem Lärm (Rockkonzert, Kopfhörer) ausgesetzt, kann es zu Hörschäden kommen. Wenn Lärm hoher Intensität [> 85 dB] auf das Ohr einwirkt, führt dies schon nach Stunden zu einer Hörstörung, die bei länger dauernder Belastung irreversibel ist. Ort der Schädigung sind die Haarzellen im Cortischen Organ der Schnecke. Beispieltabelle für Hörempfindungen Stille Atmen Blätter­ Flüstern rauschen Unter­ haltung Büro Schreien, Mofa Straßen­ lärm Diskothek, Presslufthammer Rockkonzert, Düsentriebwerk 0 dB 10 dB 20 dB 50 dB 60 dB 70 dB 80 dB 110 dB 120 dB still ruhig ge N nt ur um zu de Prü s fz H w el e bl ck in en g Ve rla gs Dezibel 40 dB ruhig leise leise leise laut laut unerträglich Schmerzschwelle Die Maßeinheit für die Intensität eines Schall­ereig­nis­ses ist das Dezibel. Bei 0 dB hören wir nichts; Geräusche bis 30 dB empfinden wir als ruhig; dauern­ der Lärm macht schwerhörig. Bei mittleren Frequenzen und Pegeln ergibt ein Pegelunterschied von 10 dB eine Verdoppelung oder Halbierung des Laut­ stärke­ein­drucks. Ei Von 2006 bis 2011 haben die Hörschäden bei Kindern und Ju­ gendlichen um 26 % zugenom­ men. Hauptverantwortlich dafür dürfte vor allem zu lautes Hören mit Ohrhörern von MP3-Geräten und Mobiltelefonen sein. Sie erzeugen im Gehörgang einen Schallpegel von bis zu 110 dB. Karikatur aus Hoffnungs großes Orchester © Helbling, Innsbruck • Esslingen • Bern-Belp Lärm am Arbeitsplatz Durch Lärm am Arbeitsplatz verursachte Schwerhörigkeit ist eine der häufigs­ ten Berufskrankheiten. Besonders lärmgefährdet sind Arbeiter in der Stahlund Autoproduktion – aber auch Orchestermusiker (siehe Karikatur)! Wege zur Musik 1 13
