R. Brinkmann Seite

Transkript

1 R. Brinkmann Seite I Schall und Lärm 1. Schallquellen und Schallempfänger 1.1 Schallerzeugung Was verstehst du unter Schall? Alles was wir hören können ist Schall. Alle Gegenstände, die Schall erzeugen, nennen wir Schallquellen. Wir teilen Schall in drei Gruppen ein: Geräusche : Motorrad, Bohrmaschine... Töne : Stimmgabel, Flöte... Knall : platzender Luftballon... Alte und junge Leute empfinden Musik meist völlig unterschiedlich. Warum ist das so? Nenne Geräusche, die dich zu Hause, im Verkehr, in der Schule oder in der Freizeit besonders stören. Berichte, wo Geräusche vorkommen, die mit folgenden Worten bezeichnet werden: donnern, rauschen, bellen, klappern, rumpeln, heulen, knallen, klirren, plumpsen, schreien, brummen, pfeifen, blubbern. Wie werden die betreffenden Geräusche erzeugt? Stimmgabel anschlagen In eine Flasche blasen Papier zerknüllen Luftballon quietschen lassen Luftballon platzen lassen 1.2 Was ist eigentlich Schall? Stahllineal in einen Schraubstock einspannen und schwingen lassen. Schwingende Stimmgabel ins Wasser halten. Schreibstimmgabel mit berußter Glasplatte. Trommel von unten anschlagen, obenauf Styropor. Styropor auf Lautsprecherboxen schwingen lassen. Schall entsteht, wenn Gegenstände schnell schwingen. Diese Gegenstände nennt man dann Schallquellen. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 1 von 4

2 R. Brinkmann Seite Beschreibung der Vorgänge in Schallquellen. Die von einem Lautsprecher abgegebene Musik wird durch Schwingungen der Membran erzeugt. Die Saite einer Gitarre wird durch Anzupfen in Schwingungen versetzt, es entsteht ein Ton. Die Enden einer Stimmgabel werden durch Anschlagen in Schwingungen versetzt, es entsteht ein Ton. Unsere Stimme wird im Kehlkopf erzeugt. Beim Sprechen oder Singen bilden die Stimmbänder einen schmalen Spalt und behindern die Luft beim Durchströmen. Dabei werden sie von der Luft in Schwingungen versetzt und erzeugen einen Ton. Mit der Zunge, dem Gaumen und den Lippen formen wir dann Worte Schallquellen selbst gebaut. Speichenklapper Nagelbrett Gackernde Henne Trommeln aus Dosen und Rohren Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 2 von 4

3 R. Brinkmann Seite Dosenlaute und Saitenbrett Weidenflöte 1.4 Schallempfänger Das Ohr. Das Ohr ist ein natürlicher Schallempfänger. Wir können Schall weder sehen noch riechen. Jede unserer beiden Ohrmuscheln fängt Schall auf und leitet ihn durch den Gehörgang zum Trommelfell. Dieses wird dadurch zum schwingen gezwungen und zwar in gleicher Weise wie die Schallquelle. Die Schwingungen des Trommelfells werden durch die Gehörknöchelchen des Mittelohrs an die Membran des Innenohrs übertragen.. Im Innenohr wird der Schall in schwache elektrische Signale umgewandelt, die vom Hörnerv zum Gehirn geleitet werden - wir hören etwas. Prinzip des Hörens (Blockschaltbild). Unsere Ohren sind Schallempfänger. Ohrmuschel Trommelfell Membran Gehirn Schall G Gehörgang Gehörknöchelchen Hörnerv elektrische Impulse Das Trommelfell schwingt genauso wie die Schallquelle. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 3 von 4

4 R. Brinkmann Seite Das Mikrofon. Mikrofon, Verstärker, Lautsprecher. 1 k V 5V Alle Mikrofone wandeln den auftreffenden Schall in elektrische Signale um. Diese elektrischen Signale kann man mit Lautsprechern wieder zu Schall zurück verwandeln. Vom Mikrofon zum Lautsprecher (Blockschaltbild). Mikrofon Verstärker Lautsprecher Schall 0pfeil_01 0micro_01 elektrische Stromschwankungen verstärkte elektrische Stromschwankungen Schall Zusammenfassung: Alles was wir hören können ist Schall. Dazu gehören Sprache und Musik, Geräusche und Lärm. Schall ist unsichtbar und von Schallquellen aus immer unterwegs. Wenn sich ein Körper hin und her bewegt, schwingt er. Körper, die schnell schwingen, senden Schall aus. Man nennt sie dann Schallquellen. Von unseren Ohrmuscheln wird der Schall aufgefangen; er dringt durch den Gehörgang ins Ohr ein. Dort löst er Hörempfindungen aus. Wie das Ohr, so sind auch Mikrofone Schallempfänger. Von der Schallquelle zum Schallempfänger. Schall Schallempfänger Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 4 von 4

5 R. Brinkmann Seite Schallschwingungen elektrisch sichtbar gemacht. 2.1 Ton, Geräusch, Knall Mikrofon und Oszilloskop 5V 1 k Das Oszilloskop empfängt die Signale vom Mikrofon und zeichnet sie auf den Bildschirm.. Ton Geräusch Knall Stellt man eine Stimmgabel vor das Mikrofon und schlägt sie an, dann schwingt sie mit der ihr eigenen Frequenz. Sie sendet den Schall zum Mikrofon. Dieses fängt den Schall auf und wandelt ihn in elektrische Signale um. Die werden über ein Kabel zum Oszilloskop geleitet und bewirken, dass auch der Leuchtpunkt auf und ab schwingt. Genauso wie die Zinken der Stimmgabel auf der Rußplatte. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 5 von 5

6 R. Brinkmann Seite Hoch, tief, laut, leise. leiser tiefer Ton lauter tiefer Ton leiser hoher Ton lauter hoher Ton 2.3 Untersuchung der Schwingungsbilder. regelmäßige Schwingung = Ton unregelmäßige Schwingung = Geräusch Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 6 von 6

7 R. Brinkmann Seite Tonhöhe und Schwingungsbild. hoher Ton mittlerer Ton tiefer Ton Tonhöhe: Jeder Gegenstand, der gleichmäßig schwingt, erzeugt einen Ton. Je schneller die Schwingungen, desto höher der Ton. Lautstärke und Schwingungsbild. Amplitude Schwingungsweite Amplitude Schwingungsweite leiser Ton (kleine Amplitude) lauter Ton (große Amplitude) Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 7 von 7

8 R. Brinkmann Seite Lautstärke: Ein Ton ist um so lauter, je größer die Schwingungsweite ist. 2.4 Frequenz, Eigenfrequenz. ist, Die Frequenz. Da die Angabe viele, mittel viele oder wenige Schwingungen ungenau haben sich die Physiker was ausgedacht: Sie geben an, wie viele Schwingungen ein Gegenstand in einer Sekunde macht. Diese Angabe heißt Frequenz. Frequenz = Anzahl der Schwingungen in der Sekunde. Beispiel: 440 Schwingungen pro Sekunde = 440 Herz (Hz) Je größer die Frequenz, desto höher der Ton. Eigenfrequenz. Wird eine Stimmgabel angeschlagen, so schwingt sie in einer ganz bestimmten Tonhöhe (Frequenz). Diese jeder Stimmgabel eigene Frequenz heißt Eigenfrequenz. Stimmgabel Kinderstimme Männerstimme 1400 Hz, 440 Hz, 128 Hz Hz Hz Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 8 von 8

9 R. Brinkmann Seite Schallausbreitung 3.1 Kein Schall ohne Schallträger. Klingel unter einer Vakuumglocke betreiben ein Ohr auf die Tischplatte legen, mit den Fingernägeln kratzen. 3.2 Wie kommt der Schall an unser Ohr? Zwei Trommeln mit Tischtennisball. Erzeugung einer Längswelle mittels Schraubenfeder. Longitudinalwelle mittels Ringmagneten. Modell einer Longitudinalwelle. Verdichtung Verdünnung Verdichtung Zusammenfassung Schall breitet sich nach allen Seiten aus. Er benötigt dazu einen Schallträger. Gase, wie Luft Festkörper, wie Holz und Metall Flüssigkeiten wie Wasser sind Schallträger. In ihnen breitet der Schall sich aus. 3.3 Wie schnell ist der Schall? Versuch auf dem Sportplatz. Lege eine Strecke von 200 m fest. Ein Schüler steht mit einer Startklappe am Anfang der 200 m, einer mit Stoppuhr am Ende. Der Stopper startet die Uhr, wenn er sieht, dass die Klappe zusammenschlägt. Wenn der Stopper den Knall hört, stoppt er die Uhr und liest die Zeit ab. Dann wird ausgerechnet, wie weit der Schall in 1 Sekunde gekommen wäre. Das ist die Schallgeschwindigkeit. Genaue Messungen ergeben, dass der Schall in Luft in jeder Sekunde einen Weg von 340 m zurücklegt. Das ist die Schallgeschwindigkeit in Luft. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 9 von 9

10 R. Brinkmann Seite Schnurtelefon (oder Fadentelefon) Yoghurtbecher Streichholz mit Knoten Faden Yoghurtbecher schall_01 Das Fadentelefon 3.4 Schall kann umgelenkt werden. Reflexion von Schall (Oszilloskop) Flüstertüte. Schall wird von harten und glatten Flächen reflektiert. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 10 von 10

11 R. Brinkmann Seite Hörgrenzen, Empfindlichkeit des Ohrs. Können wir jeden Schall mit unserem Ohr wahrnehmen? Tongenerator: hohe Töne... tiefe Töne Das menschliche Ohr hat Hörgrenzen. Der Hörbereich eines jungen gesunden Menschen liegt zwischen den Frequenzen 16 Hz und Hz. Ganz tiefe Töne mit den Frequenzen bis 16 Hz nennen wir Infraschall. Töne mit Frequenzen oberhalb von Hz nennen wir Ultraschall. Lebewesen Kind Jugendlicher Erwachsener Delphin Vogel Hund Katze Fledermaus Nachtfalter Hörbereiche 16 Hz Hz 16 Hz Hz 16 Hz Hz 150 Hz Hz 200 Hz Hz 15 Hz Hz 60 Hz Hz 1 Hz Hz 3 Hz Hz Aufgaben: 1.) Beschreibe, wie man Schwingungen mit der Stimmgabel aufzeichnen kann. 2.) Wie schwingt die Membran eines Lautsprechers bei lauten und leisen bzw. bei hohen und tiefen Tönen? 3.) Was ist gemeint, wenn jemand sagt: "Die Stimmgabel schwingt mit einer Frequenz von 440 Hz"? 4. ) Beschreibe Aufbau und Wirkungsweise eines Klaviers. 5.) Eine Gitarre hat 6 Saiten. Ein Gitarrenspieler kann mehr als 6 Töne erzeugen. Wie macht er das? 6.) Wie kann man ein Xylophon bauen? Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 11 von 11

12 R. Brinkmann Seite Erzwungene Schwingungen, Resonanz, Musikinstrumente. 6.1 Die Eigenfrequenz. An einem Faden werden verschiedene Schraubenschlüssel aufgehängt. Werden die Schlüssel angeschlagen, so erzeugt jeder einen eigenen Ton. Jeder Schlüssel schwingt mit einer ganz bestimmten Frequenz, mit seiner Eigenfrequenz. klang_01 Töne: tief hoch Jeder schwingende Gegenstand hat eine bestimmte, zu ihm passende Eigenfrequenz. 6.2 Erzwungene Schwingungen. Eine Stimmgabel wird angeschlagen und an verschiedene Gegenstände gehalten. Der Ton wird manchmal lauter. Der Ton ist am lautesten bei einer Stimmgabel mit Klangkasten. Das liegt daran: Die Stimmgabel lässt einige Gegenstände in der gleichen Frequenz mitschwingen, so dass diese den Ton verstärken. Dieses Mitschwingen nennen wir erzwungene Schwingung. Eine Schallquelle kann andere Körper zu erzwungenen Schwingungen anregen. Dadurch werden Töne und Geräusche lauter. Versuch für zu Hause: Stelle einen mechanischen Wecker in eine Blechschüssel und lasse ihn klingeln. Wann ist das Klingeln lauter? (mit oder ohne Schüssel?) Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 12 von 12

13 R. Brinkmann Seite Stimmgabel mit Klangkasten. Eine Stimmgabel, die fest auf einen Klangkasten montiert ist, lässt diesen immer in ihrer eigenen Frequenz mitschwingen. Dadurch wird der Ton der Stimmgabel um einiges verstärkt. (Erinnere dich auch an den Nagelkasten, dort lassen die angeschlagenen Nägel den Kasten mitschwingen.) Zusammenfassung: Zusammenfassung Erzwungene Schwingungen. Ein Gegenstand, oft mit größer Fläche, wird von einer Schallquelle zum Mitschwingen gezwungen. Die Schallquelle zwingt dabei dem Gegenstand ihre Frequenz auf. Beide schwingen mit der Frequenz des Erregers. Der Schall wird verstärkt Resonanz. Wir haben zwei gleiche Stimmgabeln auf Klangkästen. Wenn du eine Stimmgabel anschlägst, hörst du einen klaren reinen Ton. Der Klangkasten verstärkt diesen Ton, er wird lauter. Da beide Stimmgabeln gleich sind, schwingen sie mit der gleichen Eigenfrequenz. Sie senden den gleichen Ton aus. Kann eine Stimmgabel die andere zum Mitschwingen anregen? Wenn beide Gabeln die gleiche Eigenfrequenz haben, tönt auch die nicht angeschlagene Gabel. Sie wird zum Mitschwingen gezwungen. Sie sendet sogar noch Schall aus, wenn die angeschlagene Gabel gestoppt wird. Dieser Vorgang heißt Resonanz. Von Resonanz spricht man, wenn ein schwingender Gegenstand einen anderen mit dessen Eigenfrequenz zum Schwingen anregt. Resonanzschwingungen sind besonders heftig. Resonanz muss man vermeiden. Beispiel 1: Ein klapperiger LKW klappert vor der Ampel, wenn der Motor im Leerlauf dreht oft lauter als wenn er fährt. Grund: Der Motor versetzt Teile des LKW s in Resonanzschwingungen. Einzelne Teile können sich lösen oder abbrechen. Beispiel 2: Ein Autoreifen, der nicht richtig ausgewuchtet ist, kann bei bestimmten Geschwindigkeiten das Lenkrad und Teile des Autos in Resonanzschwingungen versetzen. Beispiel 3: Soldaten dürfen auf einer Brücke nicht im Gleichschritt marschieren. Sie können Tritt für Tritt die Brücke in ihrer Eigenfrequenz anregen. Die Brücke könnte einstürzen. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 13 von 13

14 R. Brinkmann Seite Beispiel 4: Auf der Schaukel ist Resonanz erwünscht. Wenn du immer im richtigen Augenblick Schwung gibst oder dich anschubsen lässt, schwingt die Schaukel immer heftiger. Beispiel 5: Hochspannungsleitungen können von Stürmen oder Orkanböen zu so heftigen Schwingungen gezwungen werden, dass sie abreißen. Beispiel 6: Angeblich soll es Sänger geben, die mit ihrer Stimme Gläser zum Zerspringen bringen können. Musikinstrumente haben keinen Resonanzkörper. Viele Musikinstrumente haben Klangkästen um den Ton zu verstärken. Die Klangkästen müssen so gebaut werden, dass sie niemals in Resonanzschwingungen versetzt werden. Das würde bei einer Geige bedeuten, dass die Geige bei einem bestimmten Ton besonders laut tönt. Das ist unerwünscht. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 14 von 14

15 R. Brinkmann Seite Schall in Festkörpern. Ein Wecker wird auf den Tisch gestellt, das Ohr auf den Tisch gedrückt. Der Wecker wird mit verschiedenen Stoffen unterlegt. Stoff gut schlecht Holz x Schaumstoff x Metall x Schwamm x Harte und feste Stoffe übertragen den Schall gut. Weiche und poröse Stoffe dämmen ihn. Geräusche im Haus: Wassergeräusche Dusche oder Toilette Stereoanlage vom Nachbarn Stimmen, Klopfen, Staubsaugen Trittgeräusche, Heizungsanlage. All diese Geräusche empfinden wir als störend. Wie kann beim Hausbau Vorsorge getroffen werden, dass all diese störenden Geräusche nur minimal auftreten? Schalldämmung mit weichen Materialien (Schaumstoff, Steinwolle... ) 7.1 Schall in Flüssigkeiten. Geht Schall auch durch Flüssigkeiten? Beispiele: Wasser Schall im Schwimmbecken unter Wasser. Delphine und Wale können sich über große Strecken unter verständigen. Wasser und andere Flüssigkeiten können Schall übertragen. Zusammenfassung: Luft, aber auch feste Stoffe und Flüssigkeiten übertragen Schall. Sie sind Schallträger. Ohne einen Träger kann sich Schall nicht ausbreiten. Harte Gegenstände aus Metall, Glas, Beton oder Stein und Flüssigkeiten übertragen Schall gut. Weiche und poröse Stoffe (z.b. Styropor, Mineralwolle, Gummi und Schaumstoff) dämmen ihn. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 15 von 15

16 R. Brinkmann Seite Echo und Richtungshören. Was ist ein Echo, wie kommt es zustande? Du stehst vor einem Berg und rufst Hallo. Nach zwei Sekunden hörst du das Echo. Wie weit ist der Berg entfernt? Hallo 1 Sekunde hin Hallo 1 Sekunde zurück echo_01 Wie weit ist der Berg entfernt? Der Berg ist genau 340 m vom Rufer entfernt, da der Schall in 1 s genau 340m zurück legt. Erstellt von R. Brinkmann ph06_i.doc :56 Seite 16 von 16