Töne Fachlicher Hintergrund

Transkript

1 Aspeke des fachlichen Hinergrunds dieser Versuchsreihe Wir leben in einer Wel, die erfüll is von Schall. Täglich sind wir von den verschiedensen Tönen, Klängen und Geräuschen umgeben. Vom donnernden Geräusch eines sarenden Flugzeugs bis zum leisen Rascheln der Bläer, von wunderbar harmonischer Musik bis zum unerräglichen Kreischen von Maschinen reich die Bandbreie der Schalleindrücke. Sie enhalen lebenswichige Informaionen und dienen der Kommunikaion. Das Organ, das uns mi dieser vielfäligen Wel der Schalls verbinde, is das Ohr ein unglaubliches Meiserwerk der Naur. Die Akusik (griech: akusein = hören) is die Wissenschaf, die dem Schall und den Gesezlichkeien dieser Phänomene auf der Spur is. Was is Schall eigenlich? Schall is die räumliche Ausbreiung von Druckschwankungen in einem Medium, zum Beispiel in der Luf. Diese Druckschwankungen können durch schwingende Gegensände erzeug werden. Läss man zum Beispiel ein über die Tischkane hinausragendes Lineal schwingen, so wird die Luf über dem Lineal in rascher Folge verdiche oder verdünn, d. h. der Druck schwank periodisch. Das Lineal söß die Lufeilchen seiner Umgebung an, dieser Energiesoß wird weiergeleie und zwar nach allen Seien eine Schallkugel breie sich aus wenn die Schallwellen an unser Ohr kommen, hören wir. Wie kann man sich eine Druckschwankung - eine Schallwelle vorsellen? Um das zu versehen, is es nowendig, die Beschaffenhei der Luf zu kennen. Luf beseh aus Lufmolekülen, die sich in einer dauernden, aber nich geordneen Bewegung befinden. Eine Schallquelle wirk auf die Lufeilchen ein educaion highwa -

2 Ausbreiungsrichung Lufeilchen schwingen ungeordne umher. A Ein Gegensand wird in Schwingung versez und drück so auf die Lufeilchen. B Sie werden zusammengedrück der Druck sez sich im Raum for. C Die Lufeilchen schwingen vor und zurück. D Dabei verdiche sich die Luf in Druckwellen. E Durch das Hin- und Herschwingen der Teilchen verdünn sich die Luf zwischen den Druckwellen. F Die Druckwelle sez sich solange for, wie sie Impulse der Schallquelle bekomm. Diese Druckwelle breie sich nich nur linear, sondern kugelförmig im Raum aus. Man kann diese Wellen naürlich nich sehen, aber manchmal spüren! Schallwellen sind mechanische Wellen: Es wird kein Soff ransporier, sondern es wird Energie überragen. Schallwellen breien sich rundherum aus die Druckwellen pflanzen sich wie Kugelschalen aus verdicheer und verdünner Luf for. Wasserwellen hingegen breien sich nur an der Oberfläche aus. Sie gehorchen anderen Gesezlichkeien. Das solle man wissen, wenn man im Wasser sichbare Wellen zur Veranschaulichung für die unsichbaren Schallwellen heranzieh. Solche Schallwellen können sehr unerschiedlich sein, je nachdem wie sark der Druck schwank bzw. wie of eine Druckwelle pro Sekunde schwing. Mi Hilfe eines mahemaischen Diagramms kann man das bildlich verdeulichen: T = Schwingungsdauer 0 = Ampliude = Zei Senkreche Achse Wie sark schwank der Druck? Ampliude: Höhenausschlag der Schwingung Waagreche Achse Wie of pro Sekunde schwank der Druck? Frequenz: Zahl der Schwingungen pro Sekunde. Je schneller die Schallquelle schwing, umso höher is die Frequenz einer Schwingung, umso höher is der jeweilige Ton educaion highwa

3 Dieses Bild darf nich als Abbild einer Schallwelle versanden werden! Tonhöhe Lausärke hoher Ton leiser Ton iefer Ton iefer Ton Auf der waagrechen Zei-Achse ( = von la. empus = Zei) des Diagramms kann man ablesen, wie of pro Sekunde eine Druckwelle schwing. Eine gebräuchliche Simmgabel beispielsweise schwing 440-mal in der Sekunde regelmäßig. Der Ton, der dabei enseh, wird Kammeron A genann. ( Kammeron bedeue, dass alle Insrumene einer Gruppe auf diesen Ton eingesimm werden.) Es gib ein Maß für die Frequenz: 1 Schwingung pro Sekunde = 1 Herz = 1 Hz (benann nach dem deuschen Phsiker Heinrich Herz) Der Ton A ha daher eine Frequenz von 440 Herz. Beim Sprechen ensehen Frequenzen von 100 bis Hz. Höchse hörbare Frequenz: Hz (nur bei jungen Menschen!) Tiefse vom Menschen hörbare Frequenz: 16 Hz. Ton, Klang oder Geräusch? Schall kann sich in sehr unerschiedlicher Weise ereignen. Ton Klang Einem Ton lieg eine reine Sinusschwingung zugrunde, d. h. die Druckschwankungen erfolgen absolu regelmäßig. Die Ampliudengröße der Schwingung gib dabei die Lausärke, die Frequenz hingegen die Höhe des Tones an. Ein Klang enseh durch die Überlagerung mehrerer Töne: Mehrere Schwingungen überlagern sich. Der Ton mi der niedrigsen Frequenz besimm die Tonhöhe der gesamen Schallempfindung, die anderen so genannen Oberöne bewirken den Eindruck der Klangfarbe. Bei der Verwendung der Begriffe Ton und Klang muss man zwischen der Sprache der Phsik und der Sprache des Allags bzw. der Musik unerscheiden. Ein Geräusch enseh durch unregelmäßige Schwingungen einer Schallquelle. Charakerisisch für ein Geräusch sind unrhmische Frequenzen. Ein Grundon is nich mehr erkennbar educaion highwa -

4 Im Sprachgebrauch der Musik wird für den Klang einer Giarrensaie oder eines schwingenden Lineals der Begriff Ton verwende. Dies is phsikalisch nich richig, da ein Ton wirklich nur auf einer einzelnen Frequenz basier, der Ton einer Saie hingegen aus mehreren Frequenzen, die harmonisch zueinander passen. Im phsikalischen Sinne müsse man also von Klängen sprechen. Geräusch Knall Ein Geräusch enseh durch unregelmäßige Schwingungen einer Schallquelle. Charakerisisch für ein Geräusch sind unrhmische Frequenzen. Ein Grundon is nich mehr erkennbar. Eine kurze und sehr sarke Druckschwankung wird als Knall bezeichne. Beispiele für einen Knall sind ein plazender Lufballon oder die Explosion eines Knallkörpers. Warum gib eine angeschlagene Simmgabel einen Ton von sich? Durch Anblasen, Anzupfen, Anschlagen oder Ähnliches wird ein Körper - beispielsweise die Simmgabel - in Schwingung versez. Sie schwing eine Zeilang hin und her. Diese Vibraionen kann man of sogar sehen. Diese Schwingungen werden auf die Luf überragen und gelangen so an unser Ohr. Solche Schallquellen können nich nur fese, sondern auch flüssige (rauschendes Wasser) oder gasförmige (Luf in einem Blasinsrumen) Körper sein. Wie schnell breie sich Schall aus? Schall breie sich nich nur in einem gasförmigen Medium wie der Luf aus, sondern auch in Flüssigkeien oder fesen Körpern. Die Ausbreiungsgeschwindigkei is vom jeweiligen Medium abhängig. Dabei spiel für eine genaue Besimmung auch die Temperaur eine Rolle, weil sie ja die Diche der Teilchen veränder. Die Geschwindigkei des Schalls : In gasförmigen Körpern bei 20 C In flüssigen Körpern bei 20 C In fesen Körpern bei 20 C Luf: 334 m/s Wasser: 1480 m/s In fesen Soffen breie sich Schall sogar noch viel schneller aus: Holz: 3380 m/s Beon: 3800 m/s Sahl: ca m/s Wie verhäl sich Schall, wenn er sich ausbreie? Die Schallwelle wird zunächs erzeug durch das Anregen einer Schallquelle Zupfen, Sampfen, Klopfen, Reiben, wobei die Moleküle und Aome der Maerie sich von ihrem Plaz wegbewegen und wieder zurückkehren sie beginnen zu schwingen. Dabei ensehen Druckwellen, die an das Medium, das den Körper umgib, weiergegeben werden und sich in diesem ausbreien educaion highwa

5 Dabei wird die Tonhöhe (Frequenz) fesgeleg. Sie veränder sich nich weier. Der Ton eines Insrumens ha auch in weier Enfernung die gleiche Tonhöhe. Während die Frequenz also nur davon abhängig is, wie der Ton erzeug wird, änder sich die Geschwindigkei je nach dem Medium, in dem sich die Schallwellen ausbreien. Aber auch der Schalldruck ablesbar an der Höhe der Ampliude änder sich. Er nimm mi der Enfernung ab, da sich der Schall in alle Richungen ausbreie. Der Haupgrund lieg darin, dass sich mi zunehmendem Absand zur Schallquelle die Fläche, auf die der Schalldruck wirk, vergrößer. Je größer nun die Fläche is, deso geringer is der Druck. Schallwellen können außerdem reflekier (zurückgeworfen), gebrochen (in der Ausbreiungsrichung veränder) und gebeug werden. So kann Schall sich auch um Kanen herum, durch Spalen und um Hindernisse herum ausbreien. So können wir auch das Geräusch des Fernsehers in einem anderen Raum genau so gu hören, selbs wenn die Tür nur einen Spal offen seh. Schall kann auch absorbier werden aufgesogen wie Wasser in einem Schwamm. Die Schallenergie verlier sich beispielsweise in einem absorbierenden Maerial, das zur Schalldämpfung angebrach wird. Wie komm der Schall in unser Ohr? Unsere Ohren sind ein höchs leisungsfähiges, aber auch sehr empfindliches Sinnesorgan. Die drei wichigsen Teile sind: Außenohr Mielohr Innenohr das eigenliche Gehörorgan Die Ohrmuschel fäng die Schallwellen auf und leie sie nach innen. Die Schallwellen versezen das Trommelfell in Schwingung. Die drei Ohrknöchelchen nehmen die Schwingungen auf und geben sie an das ovale Fenser weier. Sie sind so konsruier, dass sie den Druck der Schallwellen um das 90-fache versärken. Im komplizieren und komplexen Gebilde des Innenohres befinden sich Sinneszellen, die Härchen ragen. Diese werden durch die Schallwellen beweg. Der Reiz wird verarbeie und durch den Gehörnerv ans Gehirn weiergeleie. Ohrmuschel Hammer Seigbügel Amboss Bogengänge Gehörnerv zum Gehirn Gehörgang Schnecke Trommelfell Ohrrompee zum Rachen educaion highwa -

6 Das Ohr is in der Lage, die von den Schallwellen ausgelösen Bewegungen des Trommelfells sie liegen im Zehnel- und Hunderselmillimeerbereich als Informaionen an das Gehirn zu leien, wo diese analsier und gespeicher werden. Warum brauchen wir zwei Ohren? Wenn die Schallwellen sich um uns herum ausbreien, reffen sie nich ganz zeigleich auf jedes Ohr. Ein Ohr hör um Sekundenbrucheile früher als das andere, je nachdem aus welcher Richung der Schall komm. Aus dieser Zeidifferenz berechne das Gehirn die Richung und Enfernung der Schallquelle. Wie empfindlich sind unsere Ohren? Sehr! Wenn man sich vor Augen häl, wie leisungsfähig dieses Organ is und wenn man sich nur einigermaßen über die ungeheure Komplexiä des Hörvorganges im Klaren is, dann is ein pfleglicher Umgang wohl selbsversändlich. Die Lausärke wird dabei nich von jedem Menschen gleich empfunden, bis zu einem gewissen Grad kann man sich an laue Geräusche gewöhnen und diese zeiweilig sogar ausblenden, um sich anderen Dingen zu widmen. Dies geh jedoch nur bis zu einem gewissen Grade. Kurzzeiige, sehr laue Schallereignisse wie beispielsweise ein zu nah abgefeuerer Feuerwerkskörper, können irreparable Schädigungen des Gehörs hervorrufen. Aber auch bereis Lausärken von 90 Dezibel und mehr, die über längere Zei auf unser Gehör einwirken, können größere Schäden bewirken. Dies solle den Kindern ausdrücklich klar gemach werden! Über die phsikalische Erforschung des Phänomens Schall hinaus können viele ineressane Themenkreise angesprochen werden, wie: Mein Körper meine Sinnesorgane Gesundheiserziehung Hören und Kommunikaion Tiere und ihre Gehörleisungen Lärm Lärmschuz Lieraurangabe Dr. G.-D. Schmid (Hrsg.) (2005): Kleiner Leifaden Naurwissenschafen. Duden Berlin Lapp, Ralph (1966): Schall und Gehör. TIME-LIFE inernaional Die Wel des Schalls, Themenhef Grundschule Sachunerrich 4 (1999). Friedrich Verlag, Seelze / Velber 2008 educaion highwa