Schall als Schwingung

Bei Schwingungen unterscheidet man die Fortpflanzungsrichtung und die Schwingungsrichtung. Stehen diese beiden Richtungen senkrecht aufeinander, spricht man von Transversalschwingung. Sind beide Richtungen gleich, ist das eine Longitudinalschwingung.

Arbeitsmittel

Schwingungen und Wellen

Eine periodische Änderung einer physikalischen Größe ist eine Schwingung. Eine Schwingung, die sich im Raum ausbreitet, ist eine Welle.

Eine Schwingung, die senkrecht zur der Richtung verläuft, in die sich die Welle ausbreitet, nennt man Transversalschwingung.

Transversalschwingung

Eine Welle am Meer ist eine Transversalwelle. Die Wasserteilchen schwingen in Richtung oben-unten-oben, aber die Welle „wandert” Richtung Strand.

In Festkörpern kann sich der Schall als Transversalschwingung ausbreiten. Das sieht man auch bei schwingenden Gitarrenseiten.

Wenn die Auslenkungsrichtung gleich mit der Fortpflanzungsrichtung ist, dann nennt man diese Schwingung eine Longitudinalschwingung.

Longitudinalschwingung

Schallwellen in einem Gas sind Longitudinalwellen. Es kommt zu Verdichtungen und Verdünnungen der Luft rund um den Schallsender.

Ausbreitung von Schall

Schall kann sich nicht nur in der Luft ausbreiten. Delfine senden Ultraschalltöne aus und können sich so verständigen und auch orientieren. Auch wir können Töne im Wasser hören. Allerdings ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Tönen in den einzelnen Medien unterschiedlich. Schall breitet sich in luft mit 340 m/s aus. Im Wasser kann sich Schall schneller ausbreiten, da dort die Teilchen näher beisammen sind. In Wasser beträgt die Schallgeschwindigkeit rund 1400 m/s und im festen Stahl sind es sogar 4900 m/s.

Die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in Luft nützt man aus, um die Entfernung eines Blitzes festzustellen. Da sich Licht mit der sehr großen Geschwindigkeit von fast 300 000 km/s ausbreitet, geht man so vor: Sieht man einen Blitz, dann beginnt man die Sekunden zu zählen (21, 22, 23, ...) bis man den Donner hört. Dividiert man die Sekunden zwischen Sehen des Blitzes und Hören des Donners durch „3”, dann weiß man wie viele Kilometer entfernt, es geblitzt hat.

Ton, Klang, Geräusch und Knall

Einen reinen Ton hören wir sehr selten. Wie ein reiner Ton klingt, kannst du hier hören.

Reiner Ton

Man kann die Transversalschwingung des Schallsenders (Stimmgabel aus Metall) sichtbar machen.

Tonschreiber

Wenn die Aufzeichnung der Schwingung eines Schallsenders eine solche Form hat, dann wird ein Ton ausgesendet. Eine solche regelmäßige Schwingung nennt man Sinusschwingung.

Der Ton „a” von einer Violine gespielt klingt anders als der Ton „a“ von einem Klavier gespielt. Er hat eine andere Klangfarbe. Wenn du also feststellen kannst, welches Instrument den Ton erzeugt hat, dann muss neben der Sinusschwingung noch etwas anderes dazu kommen. Jedes Musikinstrument hat einen anders gebauten Resonanzkörper. Deshalb werden je nach Musikinstrument unterschiedliche Schwingungen verstärkt. Diese verstärkten Schwingungen nennt man Obertöne. Das heißt, die Violine erzeugt andere Obertöne als das Klavier. Dies ist zu sehen, wenn man die Aufzeichnungen eines bestimmten Tons vergleicht, einmal erzeugt von einer Violine, einmal von einem Klavier.

A-Ton Klavier A-Ton Violine

Bei einem Klang kommen zur reinen Sinusschwingung noch weitere Schwingungen dazu.

Neben dem Ton und dem Klang gibt es in der Akustik auch das Geräusch (z. B. Straßenlärm). In der Physik ist ein Geräusch ein Gemisch aus mehreren Klängen.

Ein Knall ist eine kurze, starke Schallschwingung, die schnell wieder abklingt.

Aufzeichnung von Schwingungen

So sehen die Aufzeichnungen von Ton, Klang, Geräusch und Knall aus:

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Ton, Klang, Geräusch und Knall im Amplitude-Zeit-Diagramm

Bei einem Ton wiederholt sich nach einer bestimmten Zeit der Vorgang. Man nennt eine solche Schwingung daher auch periodische Schwingung.

Eine ganze Schwingung bezeichnet man in einer periodischen Schwingungen den Teil, der sich wiederholt. In der Grafik unten wird die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde angegeben.

Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde wird in Hertz angegeben. 1 Hertz (Hz) = 1 Schwingung pro Sekunde.

Hertz ist die Einheit der Frequenz. Die Frequenz ist ein Maß dafür, wie schnell bei einer periodischen Schwingung die Wiederholungen aufeinanderfolgen.

Tonhöhe und Lautstärke

Aus der Aufzeichnung von Schallschwingungen kann man auch Tonhöhe und Lautstärke herauslesen.

Je höher die Frequenz (d. h. je mehr Schwingungen pro Sekunde), umso höher ist der Ton. Je größer die Amplitude (maximale Auslenkung), umso lauter ist der Ton.

Eigenschaften von Schall

Amplitude Frequenz

Als hörbaren Schall bezeichnet man Schall zwischen 16 Hz und 20 000 Hz. Bei älteren Menschen ist dieser hörbare Schallbereich noch stärker eingeschränkt.

Schall mit einer Frequenz von weniger als 16 Hz nennt man Infraschall. Schall mit einer Frequenz von mehr als 20 000 Hz nennt man Ultraschall.

Tonerzeugung und Hören beim Menschen

a) Unsere Stimme

Damit Schall entsteht, muss etwas schwingen. Unsere Stimme wird vor allem durch die Stimmlippen erzeugt, die sich im Kehlkopf, am oberen Ende der Luftröhre, befinden. Zwischen den beiden Stimmlippen gibt es einen Spalt (Stimmritze). Die Stimmbänder sind elastische Bänder am Rand der Stimmlippen. Wenn wir nun aus der Lunge durch die Luftröhre und die Stimmritze Luft nach außen pressen, kommen die Stimmlippen in Schwingung und so können wir sprechen und singen.

Die verschiedenen Tonhöhen entstehen durch die unterschiedliche Spannung der Stimmlippen, wozu eigene Muskeln, die Stimmmuskeln vorhanden sind.

b) Unser Hörsinn

Auch unser Hörsinn ist komplex und effizient. Wir können ungefähr 400 000 verschiedene Töne wahrnehmen und dabei auch noch ziemlich genau feststellen, aus welcher Richtung sie kommen – und das sogar, wenn wir schlafen.

    Abb. 5

    Beim Hören wird also der Schall zuerst in mechanische Schwingung, dann in Flüssigkeitswellen und schließlich in elektrische Signale umgewandelt. Eine ähnliche Aufgabe erfüllen auch Mikrophone oder Lautsprecher. Dinge die Schall in andere Energieformen umwandeln können, werden Schallwandler genannt

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