Aktive Audioarbeit: Experimente mit Audacity

Transkript

1 Ein Projekt der Durchgeführt durch das Aktive Audioarbeit: Experimente mit Audacity 1 Sachanalyse Die Akustik (griechisch: akuein ακουειν = hören) ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. 1 Periode Amplitude Die Frequenz (von lat. frequentia, Häufigkeit) ist eine physikalische Größe, die eine zentrale Rolle bei der Beschreibung von periodischen Vorgängen, wie z. B. Schwingungen einnimmt. Sie gibt die Anzahl von sich wiederholenden Vorgängen pro Zeiteinheit, z. B. in einer Sekunde, an und kann auch als Kehrwert der Periodendauer berechnet werden. Die SI- Einheit der Frequenz ist das Hertz (1 Hz = 1/s). 2 In obigem Fall lässt sich leicht erkennen, dass eine Sekunde verstreicht, bis drei vollständige Sinusschwingungen vollzogen sind (dunkelgraue Markierung in x-richtung). Folglich hat die Schwingung eine Frequenz von 3 Hertz. Der umgekehrte Wert der Frequenz ist die Schwingungsdauer T (auch Periode). Diese gibt die Zeit für eine Schwingung an, im Beispiel 1/3 (Pfeil). Zusammenhang: f=1/t Die Amplitude ist die maximale Auslenkung einer sinusförmigen Wechselgröße. In dem Beispiel ist die Amplitude 0,8 (abzulesen an der y-achse). 3 1 Quelle: Wikipedia, Stand ebenda 3 ebenda

2 Abtastrate, auch Samplingrate oder Samplerate, ist in der Signalverarbeitung die Häufigkeit, mit der ein kontinuierliches Signal abgetastet und in ein zeitdiskretes Signal umgewandelt wird. 4 In Audacity ist dieser Wert als Projektfrequenz eingetragen. In der Standardeinstellung beträgt diese Hertz (nicht zu verwechseln mit der Frequenz der zu generierenden Töne). Dies bedeutet, dass die Dauer einer Sekunde in einzelne Zeitschritte unterteilt wird, den sog. Samples. Ein Sample entspricht also einer 44100stel Sekunde. 2 Methodisch-didaktische Überlegungen Laut Bildungsplan für Naturwissenschaft und Technik am Gymnasium sollte der Ausgangspunkt des Unterrichts die Lebenswelt der Schüler sein. Dieser didaktische Grundsatz für die Unterrichtsgestaltung ist bei der Behandlung des übergeordneten Themas Schall und Lärm besonders gut zu verwirklichen. Der laute Musikgenuss (Konzerte, Disco, MP3-Player) gehört für viele Jugendliche zum Alltag. Der Bildungsplan fordert überdies auch die Behandlung der für das jeweilige Thema relevanten mathematisch-naturwissenschaftlichen Grundlagen. Dies umzusetzen ist oft schwierig. Zum besseren Verständnis ist eine geeignete Veranschaulichung der Thematik ratsam. Bezogen auf Schall und Lärm könnte ein geeignetes Computerprogramm von großem Nutzen sein. Audacity eignet sich besonders gut für den Einsatz in der Schule, da es dank seiner Vielseitigkeit in unterschiedlichen Fächern und seiner leichten Bedienbarkeit auch in den unteren Jahrgangsstufen einsetzbar ist. Hinzu kommt, dass das Programm frei verfügbar ist und somit für die Schule keine Kosten entstehen und die Schüler zu Hause selbstständig üben können. Neben den Funktionen wie Aufnahme, Schnitt und Ausgabe kann jeder Schüler mit Audacity am PC beliebige Töne erzeugen und diese wie mit einem Oszilloskop auch darstellen. So wird ein schülerzentrierter und kreativer Zugang zu verschiedenen physikalischen Aspekten der Thematik Schall und Lärm begünstigt. Damit gehen, im Unterschied zur lehrerzentrierten Variante, folgende Vorteile einher: Anhand der im Nachfolgenden vorgestellten Experimente können die Schüler durch die selbstständige Verwendung des Computers typische Fachmethoden und Kenntnisse einüben und anwenden. Die einzelnen Versuche regen zu entdeckendem Lernen an und können damit auch zu komplexen Fragestellungen führen. Dies ermöglicht einen differenzierten Unterricht, der jeden Schüler entsprechend seiner eigenen Leistungsfähigkeit aktiv sein lässt. 4 ebenda

3 Zahlreiche Versuchsschritte eigenen sich hervorragend zur Teamarbeit. Dadurch ergibt sich für die Schüler die Möglichkeit, ihre eigenen Denk- und Arbeitsweisen gegenseitig zu überprüfen. Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich nicht um eine ausgearbeitete Unterrichtseinheit. Es sollen mehrere Versuche vorgestellt werden, die wesentlicher Bestandteil der eingangs genannten Unterrichtseinheit sein könnten. Für den Einsatz der Experimente im Unterricht wird folgendes Procedere vorgeschlagen: 1. Vorstellen des Programms Audacity mit seinen wichtigsten Funktionen (s. Sachanalyse) 2. Bearbeitung des zur Verfügung gestellten Arbeitsblattes zu den Grundbegriffen Frequenz und Amplitude 3. Klärung der Begriffe Periode, Projekfrequenz und Samplingrate in einem Lehrervortrag 4. Durchführung der Versuche. Da die Versuche voneinander unabhängig sind, kann die Lehrkraft über Anzahl und Reihenfolge je nach Situation entscheiden. 3 Bildungsplanbezug Werkrealschule: Fächerverbund MNT o Bildungsstandard 9 o Messwerte erfassen und auswerten Fächerverbund MSG o Bildungsstandard 6-10 o Objekte, Klangmedien, Geräte und Materialien mit allen Sinnen wahrnehmen und handelnd mit ihnen umgehen

4 Realschule: NWA o Bildungsstandard 5-10 o Mit Schall und seiner Ausbreitung praktisch und theoretisch umgehen Gymnasium: Physik o Bildungsstandard 8, 10 und Kursstufe o Den Unterschied zwischen der Wahrnehmung beziehungsweise Sinnesempfindung und ihrer physikalischen Beschreibung kann man bei folgenden Themenstellungen darstellen: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören Messung: Amplitude, Frequenz o Bei einfachen Beispielen den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren o Einfache Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen o Erste Experimente unter Anleitung planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und angeben, welche Faktoren die Genauigkeit von Messergebnissen beeinflussen o An ersten einfachen Beispielen Strukturen erkennen und Analogien hilfreich einsetzen. NWT o Bildungsstandard 10 o Die schädigende Wirkung von Lärm auf das menschliche Gehör erläutern o Einen Sinn des Menschen mit seiner technischen Entsprechung vergleichen

5 4 Experimente mit Audacity beta Alle nachfolgenden Experimente werden mit dem Menüeintrag Erzeugen durchgeführt. Nachdem Audacity gestartet und der Eintrag Erzeugen-Tongenerator (1) gewählt wurde, erscheint dieses Bild. 01 Menü Erzeugen 02 Tongenerator In diesem Dialogfenster werden folgende Parameter eingestellt: 1. Wellenform 2. Frequenz (Hz) 3. Amplitude (0-1) 4. Dauer der Aufnahme zu 1.: zu 2.: zu 3.: zu 4.: Als Wellenform wird in unseren Experimenten die Sinusform gewählt (voreingestellt). Natürlich kann auch mit dem Rechteck- und dem Sägezahngenerator experimentiert werden. Dabei wird man feststellen, dass die generierten Töne im Gegensatz zur Sinusform nicht sauber klingen. Die Frequenz wird je nach Arbeitsauftrag geändert. Dies ist gleichbedeutend mit der Änderung der Tonhöhe. Sinnvolle Einträge liegen zwischen ca. 50 Hz (Hertz, untere Hörgrenze) und Hz (20kHz, obere Hörgrenze). Die voreingestellte Frequenz von 440 Hz entspricht dem Kammerton A ( Freizeichen ). Die Amplitude gibt an, wie weit die Wellen ausschlagen, was gleichbedeutend mit der Lautstärke ist. Der Wert 0 ist Stille, die 1 ist die maximale Lautstärke. Hiermit wird die Länge des zu generierenden Tones eingestellt. Sinnvoll sind Werte zwischen 2 und 10 Sekunden (s. Aufgabenstellung). Im zugehörigen

6 Dropdownmenü sind verschiedene Voreinstellungen eingetragen. Für die ersten Schritte reicht die Voreinstellung mit einer Monospur. Über Spuren-Neue Spur erzeugen lässt sich das Erscheinungsbild entsprechend ändern. 03 Typisches Bild eines erzeugten Tones Bearbeitu 04 Lupen Mit den Lupen können Sie zoomen. Die Lupe mit dem Plus vergrößert (zoomt hinein), die Lupe mit dem Minus verkleinert (zoomt heraus), die Lupe daneben passt die Auswahl ans Fenster an und die Lupe ganz rechts passt das gesamte Projekt (Audiodatei) ans Fenster an. Es lassen sich mehrere Spuren parallel einrichten. Wählt man im Tongenerator Frequenzen, die nahe beieinander liegen, so sind als Ergebnis Schwebungen zu hören.

7 05 Zoom auf eine Schwingung Zur Betrachtung der generierten Töne sind die verschiedenen Zoomfunktionen interessant. Bei hinreichender Vergrößerung zeigen sich stets die harmonischen Sinusschwingungen. Im Zusammenhang mit der oben eingeblendeten Zeitskala wird die Definition der Frequenz als Anzahl der Schwingungen pro Zeit klar ersichtlich. 06 Zeitanzeige Ein wesentlich exakteres Ablesen der Zeit ermöglicht die Leiste mit Projektfrequenz- /Zeitanzeige (evtl. einblenden unter Ansicht-Werkzeugleisten). Bei einer voreingestellten Projektfrequenz (Abtastfrequenz) von Hertz entspricht ein Sample einer Zeit von 1/44100 Sekunde. Um die Frequenz einer Schwingung zu ermitteln, muss man zunächst die Zeit ermitteln. Dazu liest man die Anzahl der Samples ab. Je nach dem, wie genau gemessen werden soll, muss die Auflösung im Drop-down-Menü entsprechend angepasst werden. Beispiel: T=99Samples (bei 44100Hz Samplingrate) f = Wert der Projektfrequenz Anzahl der Samples f = f = 445Hz Hinweis: Die Bestimmung der Tonfrequenz gelingt umso genauer, je höher die Frequenz des generierten Tones ist.

8 Versuch 1: Ermittlung unbekannter Frequenzen Über die Aufnahmeschnittstelle wird ein Klang aufgezeichnet. Gemäß oben stehender Anleitung wird die Frequenz des unbekannten Tons ermittelt (Weinglas, Klangschale, Instrument, in die Flasche blasen etc.). Die Amplitude der aufgezeichneten Schwingung ist eventuell sehr gering. Über das Menü Effekte-Normalisieren wird die Aufnahme derart verstärkt, dass die Schwingungen nun gut zu erkennen sind. Versuch 2: Schwebungen Erzeugt man zwei Schwingungen, deren Frequenzen nahe beieinander liegen, so kommt es zu einem interessanten akustischen Effekt, der sogenannten Schwebung. Im folgenden Beispiel überlagern sich die Schwingungen mit den Frequenzen 440Hz und 442Hz. Es kommt zu Überlagerungen und Auslöschungen der Originaltöne, und zu hören ist der Schwebungston mit der mittleren Frequenz (441Hz), der zweimal pro Sekunde laut wird. Dieser Effekt kann auch sichtbar gemacht werden mit Spuren-Spuren zusammenführen. 07 Zwei benachbarte Frequenzen 08 Bild der Schwebung

9 Versuch 3: Scale-Sweep Hörtest Mit dem Werkzeug Tongenerator (2) können Töne unterschiedlicher Frequenzen gleichzeitig erzeugt werden. Hier wählt man die Start- und Endfrequenz und die gewünschte Dauer. Der entstandene Ton verläuft nun quasi stufenlos (sweep) über das gewünschte Frequenzband (scale). 09 Tongenerator (2) 10 Aufnahme des Sweeps der Länge 50ms Aufgabe: Erstelle einen Scale-Sweep von Hz über 30 Sekunden Länge. Die Zuhörer geben ein Zeichen, sobald sie den Ton nicht mehr hören. Gemäß der oben stehenden Anleitung wird die entsprechende Frequenz bestimmt (Rechner aus Windows benutzen). Mit diesem einfachen Hörtest kann die obere und die untere Hörschwelle ermittelt werden. Versuch 4: Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit werden zwei Mikrofone benötigt, die über ein Y- Kabel in den Mikrofoneingang gestöpselt werden. Die Mikros werden im Abstand s voneinander aufgestellt, der Abstand wird abgemessen. Das erzeugte Geräusch (klatschen o.ä.) wird von beiden Mikrofonen auf eine Stereospur aufgezeichnet. Bei hinreichender Vergrößerung kann die Zeitdifferenz bequem abgelesen werden. 11 Schallgeschwindigkeit 1 12 Schallgeschwindigkeit 2

10 Berechnung der Zeit t: t= Anzahl der Samples (hier 344)/44100 (hier: 0,078004s) 13 Schallgeschwindigkeit 3 Berechnung der Schallgeschwindigkeit v: v= 2,65m/0, s = 340m/s (Literaturwert 343m/s) Wichtiger Hinweis: Dieses Experiment scheitert häufig daran, dass Notebooks oft über keine richtige Soundkarte verfügen. Das führt dazu, dass auf beiden Spuren das gleiche Signal aufgezeichnet wird. Ein Bild wie oben (08) erscheint nicht. An PC s taucht diese Problem nicht auf. Versuch 5: Töne auslöschen Generiere zunächst zwei Töne gleicher Frequenz auf zwei Spuren und höre das Ergebnis an (Dauer ca. 5 Sekunden). Markiere darauf hin einen Bereich in der zweiten Spur, z.b. von Sekunde 2 bis Sekunde 3. Wähle den Effekt-Invertieren. Höre das Ergebnis wiederum an. Was fällt auf? Vergrößere zur Erklärung den Bereich und vergleiche die Schwingungen. Tipp: Versuche dies auch mit einem ganzen Musikstück.

11 5. Schülerarbeitsblatt: Töne generieren mit Audacity 1. Erzeuge zwei Sinuskurven mit unterschiedlichen Amplituden (z.b. 0,5 und 1) und vergrößere die beiden Schaubilder sinnvoll. a) Welche Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede haben die beiden Schaubilder? b) Welche Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede haben die dazugehörigen Töne? Merksatz: 2. Erzeuge zwei Sinuskurven mit unterschiedlichen Frequenzen (z.b. 50 Hz und 800 Hz) und vergrößere die beiden Schaubilder sinnvoll. a) Welche Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede haben die beiden Schaubilder? b) Welche Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede haben die dazugehörigen Töne? Merksatz:

12 3. Zeichne eine Kurve mit der doppelten Frequenz der halben Amplitude ein. Wie unterscheiden sich die beiden Töne?