Physikalisches Schulversuchspraktikum. Wintersemester 2000 / Versuche zur Akustik in der Unterstufe

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1 Physikalisches Schulversuchspraktikum Wintersemester 2000 / 2001 Versuche zur Akustik in der Unterstufe Matrikelnummer: Studienkennzahl: 412 / 406 Name: Angela Grafenhofer Abgabetermin:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeines zur Akustik 2. Lernziele 3. Versuche in der Unterstufe 3.1. Entstehung des Schalls 3.2. Sichtbarmachen von Schall 3.3. Die Ausbreitung des Schalls 3.4. Schallreflexion 3.5. Frequenz und Resonanz 3.6. Musikinstrumente 3.7. Aufzeichnung und Wiedergabe von Schall 3.8. Die menschliche Stimme und das menschliche Ohr 3.9. Schallmessung Lärmschutz ist Umweltschutz 2

3 1. Allgemeines zur Akustik: Die Akustik ist die Lehre vom Schall. Sie ist ein Teilgebiet der Mechanik und befasst sich mit Schwingungen materieller Systeme im Frequenzbereich zwischen 16 Hz (untere Hörgrenze) und 20 khz (obere Hörgrenze), die sich in einem elastischen Medium wellenförmig (zumeist als Longitudinalwellen) ausbreiten und im menschlichen Gehör einen Schalleindruck hervorrufen können. Wegen ihres physikalisch ähnlichen Verhaltens werden häufig Schwingungen und Wellen mit Frequenzen unterhalb von 16 Hz (Infraschall) und oberhalb von 20 khz bis 10 MHz (Ultraschall) ebenfalls der Akustik zugerechnet. 2. Lernziele: Der Schüler der 2. Klasse sollte grundlegendes Wissen über die Entstehung und Ausbreitung des Schalls erwerben und dieses auch anwenden können. Außerdem sollte er seinen Wortschatz erweitern und diese neuen Begriffe richtig verwenden. Folgendes sollte der Schüler aus dem Unterricht mitnehmen: Alles Hörbare ist Schall. Die schwingende Schallquelle ist die Ursache für den Schall, der sich mit Hilfe von Schallwellen ausbreitet. Sowohl die Begriffe Ton, Klang, Geräusch und Knall sollten unterschieden und erklärt werden als auch die Begriffe Tonhöhe und Frequenz. Der Schall wird in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen weitergeleitet, nicht aber im luftleeren Raum. Die Schallgeschwindigkeit hängt vom Medium ab. Die Funktion des menschlichen Kehlkopfes sollte mit einem Saiteninstrument verglichen werden. Die Schüler sollten die Funktionsweise von Musikinstrumenten erklären können und über die Aufzeichnung und Wiedergabe des Schalls informiert sein. Auch über Lärmschutz sollte diskutiert werden. 3

4 3. Versuche in der Unterstufe: a. Entstehung des Schalls: Alles Hörbare bezeichnen wir als Schall. Den Ausgangspunkt eines Schalls nennen wir Schallerreger oder Schallquelle. Nun wollen wir die Entstehung des Schalls untersuchen: Versuchsdurchführung: Wir spannen eine Stricknadel oder eine Blattfeder in einen Schraubstock ein und bringen sie stark zum Schwingen. Versuchsergebnis: Das freie Ende der Nadel bzw. der Feder führt rasch aufeinanderfolgende, regelmäßige Schwingungen aus, die einen Ton erzeugen. Im Gegensatz zum Ton beruht das Geräusch auf nicht regelmäßig wiederkehrenden Schwingungen. Eine stark schwingende Stricknadel wird zu einer Schallquelle. Je stärker die Anregung ist, desto größer ist die Schwingungsweite und desto lauter ist der Ton 4

5 Dieser Versuch kann jedoch auch einfach mit Linealen, die die Schüler im Unterricht mithaben, durchgeführt werden: Versuchsaufbau: Lege das Lineal so auf den Tisch, dass der größte Teil des Lineals über die Tischkante ragt, und presse mit dem Daumen das kleinere Ende fest an die Tischfläche. Biege das Lineal dann etwas zur Seite und lasse los. Du kannst das Lineal auch mit einer Schraubklemme am Tisch befestigen. Versuchsdurchführung: Lasse das Lineal unterschiedlich lang über die Tischkante ragen und lass es schnellen. 5

6 Versuchsergebnis: Sobald das Lineal losgelassen wird, beginnt es stark zu schwingen. Ein Ton entsteht. Ragt das Lineal nur wenig über die Tischkante, so erzeugt es einen hohen Ton. Ragt es weit darüber, so ist der Ton tiefer. Versuchserklärung: Das Lineal erzeugt so lange einen Ton, wie es schwingt. Unter einer Schwingung versteht man das ganz schnelle Hin- und Herbewegen des Lineals. Hemmt man die Schwingung, so hört der Ton auf. Schwingungen sind also die Ursache eines Schalls. Ebenso wie das Lineal verhalten sich auch andere Körper, wenn sie in Schwingung versetzt werden: der Wind heult, das Wasser plätschert. Dazu sollen nun Versuche durchgeführt werden: Versuche mit der Stimmgabel: Feststellen der Schwingungen mit der Hand Versuchsdurchführung: Zuerst wird eine Stimmgabel angeschlagen. Daraufhin nähert man sich langsam mit den Händen. Versuchsergebnis: Solange man die Stimmgabel noch nicht so fest berührt, sodass die Schwingung aufhört, spürt man die Schwingung, die durch die Luft übertragen wird. 6

7 Feststellen der Schwingungen durch Wasser Versuchsdurchführung: Wir schlagen eine Stimmgabel an und halten sie in einen feinen Wasserstrahl. Wir hören den Ton und sehen, wie das Wasser von der Stimmgabel wegspritzt. Versuchserklärung: Die Zinken der Stimmgabel führen kräftige Schwingungen aus, die durch das verspritzende Wasser angezeigt werden. Versuchsdurchführung: Wir schlagen eine Stimmgabel an und halten sie in einen Behälter mit Wasser. Die Stimmgabel löst eine heftige Bewegung der Wasserteilchen aus. Versuchserklärung: Auch hier sieht man wieder, wie die Schwingung der Stimmgabel das Wasser in Bewegung versetzt. 7

8 b. Sichtbarmachen von Schall: Ein anschauliches Bild dieser Schwingungen können wir mit einer Schreibstimmgabel gewinnen: Versuchsdurchführung: Wir stellen mit einer Kerze eine angerußte Glasplatte her. Dann benötigen wir noch eine Stimmgabel, die wir mit einer Schreibspitze versehen. Wir schlagen eine Stimmgabel an, die an einer Zinke eine Schreibspitze hat, und führen diese über die berußte Glasplatte. Die Stimmgabel wird dabei festgehalten, während die Glasplatte weggezogen wird. Die Schreibspitze zeichnet auf ihr ein Bild der Schwingungen. Versuchserklärung: Durch die Schreibspitze sind die Schwingungen der Stimmgabel auf die berußte Glasplatte gezeichnet worden. Die Schwingungsweiten werden allmählich kleiner und der Ton leiser. Eine andere Möglichkeit zur Aufzeichnung von Schallschwingungen bietet ein Oszillograph oder ein Physikcomputer. Auch hier erhalten wir Bilder von Schwingungen, die denen in der vorigen Abbildung entsprechen. Ein hinreichend rasch und stark schwingender Körper wird zu einem Schallerreger. Je stärker die Anregung einer Schallquelle ist, desto größer ist die Schwingungsweite und desto lauter ist der Ton. 8

9 Mit dem Oszilloskop oder dem Physikcomputer sollten verschiedenste Aufzeichnungen durchgeführt werden. Zuerst sollte der Unterschied zwischen Ton, Klang, Geräusch und Knall erarbeitet werden: o Ein Ton ist eine einfache Schwingung. o Ein Klang ist eine regelmäßige Schwingung, die durch das Zusammenwirken von Tönen entsteht. o Geräusche sind unregelmäßige Schwingungen. o Ein Knall ist ein kurzzeitiger, heftiger Schall. Ton Klang Knall Geräusch Daraufhin sollten die Schüler lernen, folgende Diagramme zu interpretieren. Dabei kann auch noch einmal auf den Versuch mit dem Lineal eingegangen werden. Es soll bei den folgenden Abbildungen in bezug auf die Tonhöhe und Lautstärke entschieden werden: hoch - tief laut - leise Ton a ist lauter als Ton b. Ton a ist höher als Ton c. Ton a ist höher als Ton d. Ton a ist lauter als Ton d. Ton b ist höher als Ton c. Ton b ist leiser als Ton c. Ton b ist höher als Ton d. Ton c ist lauter als Ton d. Dabei hängt die Lautstärke von der Amplitude und die Tonhöhe von der Frequenz ab. 9

10 c. Die Ausbreitung des Schalls: In den meisten Fällen gelangt der Schall durch die Luft an unser Ohr. Die Luft leitet also den Schall. Dazu ein paar Versuche: Versuchsmaterial: Pfannendeckel, Kochlöffel, Einsiedeglas, Gummiring, Zellophanhaut, Teeblätter Versuchsdurchführung: Gib auf ein mit einer Zellophanhaut bespanntes Einsiedeglas etwas Tee. Schlägst du in unmittelbarer Nähe mit dem Kochlöffel auf einen Kochtopf, so beginnen die Teeblätter auf der Zellophanhaut zu springen. Versuchserklärung: Um die Ursache für diese Erscheinung herauszufinden, verwenden wir das Teilchenmodell: Luft besteht aus kleinsten Teilchen. Zwischen dem Einsiedeglas und dem Kochtopf befindet sich Luft. Durch das Anschlagen des Kochtopfes werden die Luftteilchen in Schwingung versetzt. Diese Teilchenschwingung setzt sich vom Kochtopf bis zur Zellophanhaut fort und bringt die Teeblätter zum Hochspringen. 10

11 Versuchsmaterial: Konservendose, Luftballon, Gummiringe, Schere, Zündholzschachtel Versuchsaufbau: Die Einblasöffnung eines Luftballons wird mit der Schere abgeschnitten. Das Stück Ballonhaut wird über die offene Seite einer Konservendose gespannt und mit einem oder mehreren Gummiringen gut fixiert. In eine Zündholschachtel steckt man links und rechts ein Zündholz. Die Zünder sollen ein Stück aus der Schachtel ragen. Mit mehreren Gummiringen wird die Schachtel an der Dose fixiert, dass sich die Schachtel auf gleicher Höhe befindet wie die Gummimembrane. Über die beiden Zündholzenden streift man einen kleinen Gummiring und steckt ein Zündholz dazwischen durch. Nun spannt man den Gummi, indem man das Zündholz mehrere Male dreht. Das Zündholzköpfchen soll nach dem Spannen auf der Gummimembrane zu liegen kommen. Versuchsdurchführung: Tupft man jetzt leicht auf das Zündholzende und lässt das Köpfchen auf den Gummi schnalzen, entsteht ein Trommelgeräusch. Versuchserklärung: Durch die kleinen Schläge auf die Gummihaut beginnt die Luft in der Dose zu schwingen. 11

12 Beobachtung: Jeder von uns weiß, dass bei einem Gewitter, der zu einem Blitz gehörende Donner später zu hören ist. Zur Ausbreitung des Schalls ist nämlich eine gewisse Zeit erforderlich. Messungen haben ergeben: Die Schallgeschwindigkeit beträgt in der Luft etwa 340 m/s. Der Schall kann sich auch in festen Körpern ausbreiten. Lege an das eine Ende eines Tisches eine tickende Uhr und an das andere Ende dein Ohr! Du hörst deutlich das Ticken der Uhr. In Flüssigkeiten breitet sich der Schall ebenfalls aus. Es ist dir vielleicht bekannt, dass man unter Wasser alle Geräusche besonders laut hört. Ob ein Stoff den Schall gut oder schlecht leitet, hängt von seinem elastischen Verhalten ab. So leiten z.b. Luft, Wasser, Stahl usw. den Schall gut, während lockere und poröse Stoffe, wie Wolle, Sand oder Schaumstoffe, ihn schlecht leiten. Zur Schallleitung sollen nun Versuche durchgeführt werden: 12

13 Versuchsmaterial: Metallschiene, Hammer Versuchsdurchführung: Eine Person legt ein Ohr auf die Schiene, eine zweite Person schlägt leicht mit dem Hammer auf das andere Schienenende. Versuchsergebnis: Die Versuchsperson hört ganz klar den Hammerschlag. Durch das Schlagen entstehen im Metall Schwingungen, die sich fortpflanzen. Der Schall gelangt ohne Dämpfung an unser Trommelfell. Das kann auch zuhause beobachtet werden. Klopft jemand im Keller an die Heizungsrohre oder auf das Treppengeländer, ist dieses auch noch im vierten Stock hörbar. Die Rohre oder die Metallstäbe des Treppengeländers werden durch das Anschlagen in Schwingung versetzt. Von der Klopfstelle aus pflanzen sich die Schwingungen durch das gesamte Rohr bzw. Geländer fort. Die Schüler können dieses zuhause testen, sollten jedoch angehalten werden, dieses leise durchzuführen. Versuchsaufbau klingender Bügel: 13

14 Versuchsmaterial: Metallkleiderbügel, Schnur, Schere Versuchsdurchführung: Zwei ca. 1m lange Schnurstücke werden an die äußeren Enden eines Kleiderbügels geknüpft. Dann hält man die beiden Schnüre an die Ohren und lässt den Bügel frei vor dem Körper hängen. Eine zweite Person schlägt mit einem festen Gegenstand (z.b. der Schere) gegen den Kleiderbügel. Versuchsergebnis: Ein Geräusch wie bei einer Glocke ist von der Person, die den Bügel hält, zu vernehmen; meistens hört man auch ein deutliches Nachklingen. Versuchserklärung: Die durch das Anschlagen entstehenden Schwingungen des Metallbügels werden durch die Schnüre zu den Ohren übertragen. Versuchsaufbau Bindfadentelefon: 14

15 Versuchsmaterial: 2 Trink- oder Joghurtbecher (Plastik) oder kleine Konservendosen, Hammer, Nagel, fester Bindfaden (3-5 m) Versuchsdurchführung: Durchbohre den Boden der zwei Joghurt- oder Trinkbecher. Ziehe durch beide Bohrlöcher je ein Ende des langen Bindfadens, etwa 3 bis 5 m. Nimm dazu eine feste dünne Schnur. Verknote die Schnur auf der Innenseite jedes Bechers mit einem Streichholz. Ziehe die Schnur straff, so dass der Knoten mit dem Streichholz jeweils fest an der Bodeninnenseite anliegt. Achte darauf, dass die Schnur stets frei hängt und sich nicht mit anderen Gegenständen berührt. Lass deinen Versuchspartner die eine Büchse ans Ohr halten und sprich in den anderen Becher. Beende dein Gespräch immer mit dem Wort Ende, damit dein Partner weiß, wann er sprechen kann. Versuchsergebnis: Im Becher kann man ganz deutlich hören, was der andere Telefonteilnehmer spricht. Versuchserklärung: Das Bindfadentelefon ist ein Einbahntelefon, d.h. es kann immer nur einer sprechen, während der andere zuhören muss. Deshalb vereinbart man ein Kennwort, wenn ein Gespräch zu Ende ist. Jeder der beiden Becher ist zugleich Sprech- und Hörmuschel. d. Schallreflexion: 15

16 Rufen wir gegen eine Felswand, eine Mauer oder einen Waldrand, so hören wir ein Echo. Um das gerufene Wort als Echo rein zu hören, darf es erst nach 1 s 10 an unser Ohr gelangen. Daher muss der Schallweg mindestens m = 34m 10 betragen, die reflektierende Wand also mindestens 17 m entfernt sein. Sind wir näher bei der reflektierenden Wand, so stört das Echo das gerufene Wort. Man hört einen Nachhall. Der Nachhall wird als störend empfunden, wenn er als solcher bemerkt wird. Man sagt dann, diese Räume haben eine schlechte Akustik. Der störende Nachhall kann beseitigt werden, wenn man die Wände mit schallschluckenden Platten, Vorhängen oder Verzierungen verkleidet. Glatte Wände reflektieren den Schall, raue Wände dagegen verschlucken (absorbieren) ihn größtenteils. Das Echolot: 16

17 Mit Schall kann man, da er von Hindernissen reflektiert wird, auch messen, wie tief das Meer ist. Man schickt einfach Schall durch das Meerwasser zum Meeresboden und wartet auf das Echo. Für einen solchen Versuch sind die Schiffe besonders ausgerüstet. Sie haben eine Sender- und Empfängeranlage im Schiffsrumpf eingebaut, die man Echolot nennt. Aus der Zeitdauer zwischen Schallaussendung und Schallempfang lässt sich dann berechnen, wie tief der Meeresboden unter der Wasseroberfläche liegt und wie er aussieht, ob er eben oder gebirgig ist. Allerdings muss man dabei beachten, dass sich der Schall im Wasser, besonders im Salzwasser schneller ausbreitet als in der Luft. Salzwasser ist ein sehr guter Leiter. In ihm pflanzt sich der Schall mit 1500 m in der Sekunde fort, das ist also fast fünfmal so schnell wie in der Luft. Das Echolot lässt sich auch dazu verwenden, um Fischschwärme aufzuspüren Kommen die ausgesandten Schallwellen schneller zurück, als bei der Tiefe des Meeres an einer bestimmten Standortstelle des Schiffes zu erwarten ist, so kann man schließen, dass sich Fischschwärme im Wasser befinden, die den Schall frühzeitiger mit ihren Körpern zurückwerfen. So brauchen die Fischer ihre Netze nicht mehr auf gut Glück ins Meer zu werfen, und viel Arbeit bleibt ihnen erspart. Versuch zur Reflexion: 17

18 Versuchsaufbau: Zuerst legt man eine Uhr auf eine weiche und schallschluckende Unterlage in ein hohes Glas und entfernt sich etwas, bis man die Uhr nicht mehr hört. Nun werden verschiedene Stoffe in verschiedenen Winkeln über das Glas gehalten. Wenn die Ausrichtung passt, ist das Ticken wieder zu hören. Versuchserklärung: Durch die unterschiedlichen Materialien wird der Schall verschieden gut reflektiert. Glatte Materialien reflektieren den Schall, raue dagegen verschlucken ihn größtenteils. Die Schallreflexion wird oft als störend empfunden. Große Hallen, Kirchen und andere große Räume haben meist eine schlechte Akustik. Durch die Schallreflexion kommt es zu einem Nachhall, der meist unerwünscht ist. In Konzert- oder Vortragssälen versucht man durch große Vorhänge oder spezielle Wände, die Schallreflexion stark zu vermindern. Hätte so ein Saal glatte Wände, würden die Zuschauer kein Wort verstehen. Man kann selbst beobachten, dass sich die Akustik eines Wohnraumes ändert, wenn die Vorhänge zum Waschen abgenommen sind. e. Frequenz und Resonanz: 18

19 Die Höhe eines Tones kann durch seine Schwingungszahl oder Frequenz angegeben werden. Die Frequenz f wird aus der Anzahl n der zugehörigen Schwingungen in der Zeit t berechnet: Frequenz = Anzahl der Schwingungen Zeit n f = t Die Einheit der Frequenz ist das Hertz. 1 Schwingung 1 Hertz = 1 Sekunde 1000 Hz = 1 khz ( Kilohertz) Zu jedem Ton gehört eine bestimmte Frequenz. Ein Ton ist um so höher, je höher seine Frequenz ist. Der tiefste Ton, den wir noch hören können, hat eine Frequenz von etwa 16 Hz, der höchste bis Hz, je nach Lebensalter. Der Hörbereich des menschlichen Ohres wird mit zunehmendem Alter kleiner. Ein Schall über der oberen Hörgrenze des Menschen heißt Ultraschall. Manche Tiere, wie z.b. Hunde und Fledermäuse, können noch Töne im Ultraschallbereich wahrnehmen. Treffen auf einen schwingungsfähigen Körper Schallwellen von einer Frequenz, die er selbst aussenden kann, so wird er zu starkem Mitschwingen angeregt. Dies nennt man Resonanz: Versuchsdurchführung: 19

20 Zwei Stimmgabeln von gleicher Frequenz werden nebeneinander gestellt. Schlagen wir die eine Stimmgabel an, so hören wir einen Ton. Nun halten wir die Zinken der angeschlagenen Stimmgabel fest. Was hören wir nun? Versuchsergebnis: Durch Resonanz wird die zweite Stimmgabel zum Mitschwingen gebracht. Die angeschlagene Stimmgabel regt die zweite Stimmgabel durch Resonanz zum Mitschwingen an. Ein leichter, kleiner Ball wird von ihr in Bewegung gesetzt. Die Resonanz wird gestört, wenn z.b. auf eine Zinke der zweiten Stimmgabel etwas Plastilin klebt, da sich dadurch die Frequenz der Stimmgabel geringfügig ändert und somit kein Resonanzfall vorliegt. Man einige Beispiele für Resonanzerscheinungen: Fensterscheiben schwingen durch Auspuffgeräusche von LKWs mit. Singt man einem Seiteninstrument einen Ton vor, so schwingen entsprechende Saiten mit. Manche Autokarosserien dröhnen bei bestimmten Drehzahlen durch Resonanz. 20

21 Den folgenden Versuch zum Thema Resonanz können die Schüler zuhause durchführen: Versuchsdurchführung: Eine normale Metallgabel aus dem Haushalt wird weit am unteren Griffende gehalten und an deiner Tischkante fest angeschlagen. Nun hält man das Gabelende leicht auf die Tischplatte. Versuchsergebnis: Ein stimmgabelähnliches Geräusch ist hörbar. Versuchserklärung: Durch das Anschlagen beginnen die Gabelzinken zu schwingen. Durch die Tischplatte werden die Schwingungen verstärkt. Es handelt sich bei der Tischplatte somit um einen Resonanzkörper. Kleinere Brücken können in Schwingung geraten, wenn darauf eine Truppe im Gleichschritt marschiert. Dabei können Schwingungsamplituden auftreten, die bis zum Einsturz der Brücke führen. Deshalb marschieren Soldaten ohne Gleichschritt, wenn sie eine Brücke überqueren. 21

22 f. Musikinstrumente: Metall- und Darmsaiten werden in vielen Musikinstrumenten zur Tonerzeugung verwendet. Ihr Verhalten kann am Monochord, das in der folgenden Abbildung zu sehen ist, untersucht werden. Es besteht aus einem hölzernen Kasten, auf dem über zwei Stege eine Saite gespannt ist. Versuchsdurchführung: Wir zupfen die auf dem Monochord gespannte Saite an. Dabei hören wir einen Ton. Beschreibe die Schwingungen der Saite! Versuchsergebnis: Die Saite schwingt in der Mitte (Schwingungsbauch) am stärksten. Ihre eingespannten Enden (Schwingungsknoten) sind in Ruhe. Die Schwingungen breiten sich in der Luft als Schallwelle aus. Gleichzeitig mit dem Grundton bringt eine Saite noch Obertöne hervor. Diese bestimmen die Klangfarbe des Grundtons. Dieses ist in folgender Grafik zu sehen: 22

23 Versuchsdurchführung: Nun soll am Monochord die Tonhöhe verändert werden. Dabei hat man folgende drei Möglichkeiten: Verkürzen der Saite (Steg) Dickere oder dünnere Saite aufziehen Zugkraft verändern Versuchsergebnis: Die kurze Saite erzeugt einen höheren Ton. Die lange Saite erzeugt einen tieferen Ton. Die dickere Saite erzeugt einen tieferen Ton. Die dünnere Saite erzeugt einen höheren Ton. Die stark gespannte Saite erzeugt einen höheren Ton. Die schwach gespannte Saite erzeugt einen tieferen Ton. Versuchserklärung: Das Auge kann dem schnellen Hin- und Herschwingen des Drahtes kaum folgen. Man sieht eigentlich nur ein starkes Vibrieren. Beim kurzen Draht ist die Zahl der Schwingungen sehr hoch und der Ton dadurch höher. Der lange Draht schwingt während der gleichen Zeit nicht so häufig hin und her. Dadurch ist der Ton tiefer. Der Ton ist um so höher, je kürzer, dünner und leichter die Saite ist und je stärker sie gespannt ist. 23

24 Ein Beispiel dafür ist das Niederdrücken der Saiten beim Gitarrespielen. Der Ton wird höher, weil die schwingende Saite kürzer ist. Bei den Saiteninstrumenten können die Saiten entweder durch Zupfen, Schlagen oder durch Streichen zum Schwingen gebracht werden. Zupfinstrumente sind die Gitarre, die Zither und die Harfe. Beim Klavier wird die Saite durch ein Hämmerchen angeschlagen, das durch eine Taste bewegt wird. Die bekanntesten Streichinstrumente sind die Geige, die Bratsche, das Violoncello und der Kontrabass. Durch einen Resonanzkasten wird der Ton der Saiteninstrumente kräftiger und voller. Auch Stäbe und Platten können durch Anschlagen zum Schwingen und in der Folge zum Tönen gebracht werden. Die Tonhöhe hängt unter anderem von der Länge und dem Material der Stäbe ab. Schwingende Holzstäbe finden wir beim Xylophon, schwingende Metallstäbe beim Glockenspiel und bei dem Triangel. Ein solches Musikinstrument können die Schüler zuhause herstellen und damit musizieren. Versuchsmaterial: Bambusröhre, Lineal, Bleistift, Laubsäge, Nylonfaden, Haken 24

25 Versuchsdurchführung: Säge von der Bambusröhre 8 Bambusröhren (möglichst ohne Knoten, das sind die Verdickungen) in folgenden Längen ab: 24 cm, 22,5 cm, 20 cm, 18 cm, 16 cm, 15 cm, 13,5 cm und 12 cm. Verbinde die Röhren an beiden Enden mit je einem Nylonfaden parallel zueinander. Beginne mit dem kleinsten Stab und reihe immer die nächst größere Röhre dahinter, wie du es auch auf der Abbildung siehst. Achte darauf, dass zwischen den Röhren stets ein Abstand von etwa 1-1,5 cm frei bleibt. Spanne alle aneinandergebundenen Röhren dann waagrecht zwischen zwei Haken. Klopfe dann mit einem kleinen Holzhammer oder dem Holzgriff einer Feile oder eines Schraubenziehers gegen die einzelnen Röhren. Versuchsergebnis: Jedes einzelne Rohr erzeugt beim Anschlagen einen anderen Ton. Sie bilden eine Tonleiter. Die kurzen Röhren klingen höher, das längste Rohr am tiefsten. Versuchserklärung: Du hast ein Xylophon gebaut. Wenn du gegen die Röhren schlägst, gerät zuerst das Holz in Schwingungen. Diese übertragen sich auf die in den Röhren befindliche Luft. Je nach Länge der Röhren ist die in Schwingung versetzte Luftsäule unterschiedlich lang, was zu verschiedenen Tonhöhen führt. Die kürzeren Röhren erzeugen stets einen höheren Ton, da ihre Schwingungszahl höher ist als die der längeren. Man erhält die harmonische (diatonische) Tonleiter, da das Verhältnis der Länge der Rohre folgendermaßen ist: : : : : : : : 2 25

26 Beim Versuch mit dem Monochord wurde bereits auf die Begriffe Schwingungsbauch und Schwingungsknoten eingegangen: Versuchsdurchführung: Wir schlagen eine Stimmgabel an und berühren sie an verschiedenen Stellen. Versuchsergebnis: Dabei hört sie im allgemeinen auf zu schwingen. Auf jeder Zinke gibt es aber eine Stelle, bei deren Berührung sie weiterschwingt. Versuchserklärung: Hören wir nach der Berührung der Stimmgabel keinen Ton mehr, so haben wir ihre Schwingung unterbunden. Tönt sie aber weiter, muss die Berührungsstelle ein Punkt sein, der auch beim Schwingen der Stimmgabel in Ruhe bleibt. Sie hat also dort einen Schwingungsknoten. Schwingungsbäuche finden wir an den Enden der Stimmgabel und in der gekrümmten Mitte am Stiel. Versuchserweiterung: Lässt man über eine schwingende Stimmgabel einen dünnen Wasserstrahl fließen, so gibt es Stellen, an denen er zerstäubt wird, aber auch Stellen, an denen dies nicht erfolgt. Trifft der Wasserstrahl auf einen Schwingungsknoten wird er nicht zerstäubt, da dieser Punkt nicht schwingt. 26

27 Beispiele für schwingende Platten sind die Becken oder Tschinellen. Glocken sind gekrümmte Platten. Membranen und Platten schwingen jedoch nicht über die ganze Fläche gleichmäßig, wie folgender Versuch zeigt: Versuchsdurchführung: Eine Metall- oder Glasplatte wird mit feinem Sand oder Gries bestreut und mit einem Geigenbogen zum Schwingen gebracht. Versuchsergebnis: Es entstehen verschiedene Klangfiguren. Versuchserklärung: Die Klangfiguren entstehen an den Schwingungsknoten der Platte, an denen das Streumaterial in Ruhe bleibt. Man nennt diese Figuren Chladniesche Figuren. Dieses Verfahren wird bei Materialuntersuchungen von Metallplatten verwendet. Bei Platten mit Materialfehlern entstehen dann unregelmäßige Figuren. Bei Pauken und Trommeln werden gespannte Felle und damit auch die darunter befindliche Luft zum Schwingen gebracht. Aber auch die Luft in Röhren oder Gefäßen aus Glas, Metall oder Holz kann zum Schwingen und damit zum Tönen gebracht werden. 27

28 Man spricht in diesem Fall von schwingenden Luftsäulen. Dazu soll nun folgender Versuch durchgeführt werden. Versuchsmaterial: Gläser, Weingläser oder Flaschen, Wasser Versuchsdurchführung: Man stoßt verschiedene Gläser an und hält sie dabei an verschiedenen Stellen: am Fuß, am Stiel oder am Kelch. Daraufhin füllt man die Gläser mit Wasser und wiederholt den Versuch. Versuchsergebnis: Die Gläser klingen unterschiedlich klar, hoch oder tief. Sobald Wasser in die Gläser gefüllt wird, verändert sich die Tonhöhe des angestoßenen Glases. Versuchserklärung: Durch das Anstoßen beginnt das Glas zu schwingen und erzeugt einen Ton. Greift die Hand das Glas am Kelch, so kann das dünne Glas nicht so ungehindert schwingen, als wenn es am Fuß gehalten wird. Der Ton wird dadurch unsauber und gedämpft. Am Fuß gefasst, klingt das Weinglas rein und hell. Werden die Gläser unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt, so ändert sich die Tonhöhe. Je höher die Füllhöhe, desto niedriger der durch die Schwingung erzeugte Ton. Auf diese Weise kann eine Tonfolge wie bei einer Tonleiter hergestellt werden, indem in jedem Glas gerade soviel Wasser ist, so dass beim Anschlagen der nacheinander folgenden Gläser möglichst Ganztonschritte erzeugt werden. 28

29 Versuchsvariationen: Dieser Versuch kann auf unterschiedlichste Weise verändert werden. Es können sowohl Flaschen als auch die verschiedensten Gläser verwendet werden. Außerdem können die Töne auch direkt durch Hineinblasen in Flaschen oder Proberöhren erzeugt werden. Achtung: Beim Hineinblasen in die Flaschen wird der Ton höher, wenn mehr Wasser in der Flasche ist. Wir erkennen daraus, dass Luftsäulen in Röhren durch Anblasen zum Schwingen gebracht werden können. Der Ton einer schwingenden Luftsäule ist um so höher, je kürzer sie ist. Dieses kann durch folgendes Beispiel veranschaulicht werden: Der Ton wird durch das Zuhalten von Löchern tiefer, weil die schwingende Luftsäule länger ist. 29

30 Auf der Schwingung von Luftsäulen beruhen die Blasinstrumente und die Orgel. Wir unterscheiden Lippenpfeifen, Zungenpfeifen und Polsterpfeifen. Die Lippenpfeifen (Blockflöte, Querflöte) besitzen eine scharfe Kante, die Lippe. An ihr wird beim Anblasen der Luftstrom so geteilt, dass die Luft im Inneren der Pfeife abwechselnd verdichtet und verdünnt wird. Dadurch entsteht ein Ton. Die Tonhöhe kann durch Abdecken der Löcher am Flötenkörper geändert werden. Bei den Zungenpfeifen wird durch das Anblasen zunächst eine elastische Zunge (z. B. ein Rohrblatt) in Schwingungen versetzt. Dadurch wird der Weg für die hineingeblasene Luft abwechselnd freigegeben oder gesperrt. Zungenpfeifen sind die sog. Holzblasinstrumente, wie die Klarinette, die Oboe, das Fagott und auch das Saxophon. Sowohl Lippenpfeifen als auch Zungenpfeifen sind bei der Orgel zu finden. Für jeden Ton ist eine eigene Pfeife vorhanden. Beim Niederdrücken der Tasten der Orgel wird einem Luftstrom (Wind) der Weg zu den einzelnen Pfeifen freigegeben. 30

31 Die Blechblasinstrumente sind Polsterpfeifen. Bei ihnen wird die Luft durch die menschlichen Lippen gepresst, die damit in Schwingungen geraten. Diese werden an die Luftsäule im Inneren des Blasinstrumentes weitergegeben. Je nach der Lippenspannung erhält man verschiedene Töne. Außerdem besitzen Blechblasinstrumente (wie z.b. Flügelhorn und Trompete) Ventile oder Klappen, mit denen die Länge der tönenden Luftsäule und damit die Tonhöhe geändert werden kann. Bei der Zugposaune geschieht dies durch Ausziehen des Rohres. Zusammenfassung: Die Höhe eines Tones steigt mit der Frequenz der Schwingung. Schwingende Saiten, Stäbe, Platten und Luftsäulen können zu Tonerzeugern werden. Neben dem Grundton klingen im allgemeinen auch Obertöne mit. Sie bilden die Klangfarbe. An Ende dieses Kapitels sollten noch einmal die unterschiedlichsten Arten von Instrumenten wiederholt werden. Jeder Schüler sollte wissen, zu welcher Gruppe ein bestimmtes Instrument gehört, und wie hier der Schall entsteht. 31

32 g. Aufzeichnung und Wiedergabe von Schall: Die Aufzeichnung und Wiedergabe des Schalls erfolgt im allgemeinen mit Hilfe elektrischer Vorgänge. Zunächst benötigt man dazu ein Mikrophon. Dieses besitzt eine schwingungsfähige Membran, die im Rhythmus der auftreffenden Schallwellen zum Mitschwingen angeregt wird. Im elektrischen Teil des Mikrophons werden die Schwingungen der Membran in Schwankungen eines elektrischen Stromes umgewandelt. Diese Stromschwankungen können entweder direkt in einem Lautsprecher hörbar gemacht oder auf einem Tonträger aufgezeichnet werden. Im Lautsprecher wird durch die ankommenden Stromschwankungen eine Membran zum Schwingen gebracht. Diese bringt die Luftteilchen zum Mitschwingen. Es entstehen wieder Schallwellen. Sie entsprechen den Schallwellen, die vom Mikrophon empfangen wurden. Die Speicherung des Schalls bzw. der zugehörigen Stromschwankungen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Die Schallplatte ist eine flache Scheibe aus Kunststoff. Bei der Aufzeichnung des Schalls werden die Schallschwingungen auf eine Nadel übertragen. Diese schneidet zunächst in eine Lackfolie eine Rille als Tonspur ein. Sie verläuft spiralförmig von außen nach innen. Auf dem Umweg über mehrere Zwischenkopien wird dann die eigentliche Schallplatte hergestellt. Beim Abspielen durchläuft die Nadel des Plattenspielers die Rille mit der Tonspur. Dabei wird sie zu den gleichen Schwingungen angeregt wie die Nadel bei der Aufnahme. Die Schwingungen werden auf elektrischem Weg in einem Lautsprecher hörbar gemacht. Das Abtasten der Tonspur kann auch mit einem Laserstrahl erfolgen. 32

33 Dazu können die Schüler zuhause einen Versuch durchführen: Versuchsmaterial: Plattenspieler oder auch nur Plattenspielerwerk, alte Schallplatte, Zeichenkarton, Klebeband, Steck- oder Nähnadel Versuchsdurchführung: Aus Zeichenkarton dreht man einen Trichter und klebt ihn mit Klebeband zusammen. Durch das dünnere Trichterende steckt man normal zum Trichter durch beide Kartonseiten eine Stecknadel. Man legt die Platte auf und setzt die Nadelspitze vorsichtig in die Plattenrille. Versuchsergebnis: Legt man das Ohr an den Trichter, kann man deutlich die Musik oder Sprache von der Platte hören. Versuchserklärung: Durch den welligen Verlauf der Rille gerät die Nadel in Schwingungen. Die Schwingungen übertragen sich auf den Trichter. Der Trichter sendet nun Schallwellen hauptsächlich in eine Richtung und diese sind deswegen gut hörbar. 33

34 Ein Magnettonband besteht aus einem Kunststoff, in dem Eisenoxid eingelagert ist. Dieses wird bei der Schallaufzeichnung durch die ankommenden Stromschwankungen im Rhythmus der Schallschwingungen mehr oder weniger stark magnetisiert. Bei der Wiedergabe wird diese unterschiedliche Magnetisierung auf elektrischem Weg in einem Lautsprecher hörbar gemacht. Bei der Speicherung des Schalls durch eine Lichttonspur werden die Schallschwingungen in Helligkeitsschwankungen umgewandelt. Diese werden auf einem Film als Tonspur aufgezeichnet. Beim Abspielen werden die Helligkeitsschwankungen wieder in Schwankungen eines elektrischen Stromes verwandelt und in einem Lautsprecher hörbar gemacht. Ein Mikrophon wandelt Schallschwingungen in Schwankungen eines elektrischen Stromes um. Im Lautsprecher werden diese Stromschwankungen wieder hörbar gemacht. Als Tonträger für die Aufzeichnung des Schalls dienen Schallplatten, Magnettonbänder und die Tonspur von Filmen. 34

35 h. Die menschliche Stimme und das menschliche Ohr: Das menschliche Stimmorgan befindet sich im Kehlkopf, dem oberen Ende der Luftröhre. Sein wichtigster Teil sind die Stimmbänder. Diese können die Luftröhre bis auf einen kleinen Spalt, die Stimmritze, schließen. Beim ruhigen Atmen sind die Stimmbänder schlaff, und die Luft tritt unhörbar durch den Kehlkopf ein und aus. Werden sie aber durch ihre Muskeln gespannt, so wird die Stimmritze verengt. Dadurch bringt die hindurchgehende Luft die Stimmbänder und in der Folge auch die in der Mundhöhle befindliche Luft zum Schwingen. Es entsteht ein Ton, dessen Höhe von der Länge und der Spannung sowie von der Breite der Stimmbänder abhängt. Seine Klangfarbe wird durch die Rachen-, Mund- und Nasenhöhle bestimmt, seine Stärke von der des Luftstromes. An der recht komplizierten Bildung der Sprachlaute sind außerdem noch die Kehle, der Gaumen, die Zunge, die Zähne und die Lippen beteiligt. Das menschliche Stimmorgan besteht im wesentlichen aus zwei Stimmbändern, die im gespannten Zustand von der vorbeistreichenden Luft zum Schwingen gebracht werden. 35

36 Beim menschlichen Ohr unterscheidet man drei Teile: das äußere Ohr, das Mittelohr und das innere Ohr. Zunächst werden die Schallwellen von der Ohrmuschel aufgefangen. Durch den Gehörgang werden sie zum Trommelfell geführt, das durch die Schallwellen in Schwingungen gerät. Die Schwingungen des Trommelfells werden von den Gehörknöchelchen des Mittelohres an das innere Ohr weitergeleitet. Dort befindet sich die Schnecke mit dem Cortischen Organ, dem eigentlichen Hörorgan. Durch die übertragenen Schwingungen werden seine Nervenfasern erregt. Der Nervenreiz wird ins Gehirn weitergeleitet und bewirkt dort eine Hörempfindung. i. Schallmessung: Bei Aussagen über die Stärke eines Schalls müssen wir zwischen der physikalischen und der subjektiv empfundenen Stärke unterscheiden. Versuchsdurchführung: Wir erzeugen mit einem Instrument einen bestimmten Ton. Er ist für einen Zuhörer um so lauter, je stärker die Schallquelle erregt wird und je näher sich der Zuhörer bei der Schallquelle befindet. 36

37 Versuchsergebnis: Wie wir wissen, entstehen bei dem Versuch Verdichtungen und Verdünnungen der Luft, die zu Druckschwankungen führen. Diese sind mit einem Mikrophon messbar. Die Größe der Druckschwankungen bezeichnet man als Schalldruck. Man kann dazu einen Vergleich mit den in konzentrischen Kreisen auseinanderlaufenden Wasserwellen anstellen. Auch bei ihnen sind die Wellenberge um so größer, je stärker die Erregung ist, und um so kleiner, je weiter sie vom Ausgangspunkt entfernt sind. Jenen Schalldruck, bei dem man einen Schall gerade noch wahrnehmen kann, bezeichnet man als Hörschwelle. Mit dem Schalldruck haben wir eine physikalisch messbare Größe für die Stärke des Schalls gefunden. Unsere subjektive Empfindung der Schallstärke hängt jedoch außer vom Schalldruck auch von der Frequenz des Tones ab. Daher wird die Stärke eines Schalls durch den bewerteten Schalldruckpegel (kurz bewerteten Schallpegel) angegeben. Er ist eine physikalische Größe, die die subjektive Wirkung des Schalls auf das menschliche Ohr berücksichtigt. Bei der Messung des Schallpegels werden z.b. die tiefen Töne gedämpft, da auch wir tiefe Töne bei gleichem Schalldruck leiser hören als hohe. Der bewertete Schalldruckpegel wird in Dezibel A abgekürzt db(a) angegeben. Die Hörschwelle, bei der man einen Schall gerade noch wahrnehmen kann, liegt bei 4 db. Bei 130 db ist der Schallpegel so groß, dass eine Schmerzempfindung auftritt. Unerwünschter Lärm kann schon ab 45 db gesundheitsschädlich sein, solcher über 85 db ist es auf Dauer ganz sicher. Eine Zunahme um 10 db empfindet das Ohr als eine Verdoppelung der Stärke des Schallpegels. 37

38 Geräusche, die besonders laut und störend auf den Menschen einwirken, bezeichnet man als Lärm. Maschinen und technische Apparate sowie der ständig steigende Verkehr haben zu einem starken Anwachsen des Lärms geführt. Die Belästigung durch Geräusche hängt von den physikalischen Faktoren des Schalls (Schallstärke, Frequenz, Häufigkeit von Lärmspitzen) und vom physischen Zustand des Menschen ab. Bei Menschen, die ständig großem Lärm ausgesetzt sind, kommt es zu gesundheitlichen Störungen. Diese äußern sich meist in hochgradiger Nervosität, mangelnder Konzentrationsfähigkeit oder einer Schädigung des Gehörs. Aber nicht nur besonders starke Geräusche, sondern auch die Berieselung z.b. durch das Radio stumpft die Nerven ab und führt zu ihrer vorzeitigen Erschlaffung. Aus all diesen Gründen ist es notwendig, den Lärm, so gut es geht, zu bekämpfen. 38

39 j. Lärmschutz ist Umweltschutz Der Lärm ist heute zu einer wahren Plage für die Menschen geworden. Daher ist es notwendig, alle Maßnahmen zu ergreifen, die uns vor dem Lärm schützen. Eine bereits eingetretene gesundheitliche Schädigung, wie z.b. die Lärmschwerhörigkeit, kann nämlich auch durch Medikamente nicht mehr nennenswert gebessert werden. Deshalb haben vorbeugende Maßnahmen besondere Bedeutung: Bekämpfung der Lärmentstehung (z.b. weniger geräuschvolle Produktionsverfahren bzw. Einsatz schallgedämpfter Maschinen) Verminderung der Lärmausbreitung (z.b. Abschirmung der Lärmerzeuger, Einbau von schallschluckenden Materialien) Persönlicher Schallschutz (z.b. Gehörschutzkapseln, Gehörschutzklappen und Gehörschutzhelme) Zur Lärmabschirmung von Wohnungen werden schalldämmende Wandbeläge und Fenster verwendet. Spezielle Bodenbeläge bewirken Trittschalldämmung. Estriche werden schwimmend betoniert. Die Betondecke schwimmt auf den Trittschalldämmplatten und berührt auch nirgends die Wand. So kann der Körperschall nicht übertragen werden 39

40 Rohre, die durch Decken gehen, werden nicht einbetoniert, sondern nur mit einer Manschette aus Dämmstoff umgeben. Somit werden Fließgeräusche des Wassers nicht auf die Wände übertragen. Zur Lärmvermeidung gibt es auch Lärmschutzwände, die bei Baustellen, lärmintensiven Industrieanlagen, Eisenbahnen, Schnellstraßen sowie Flughäfen aufgestellt werden. Im Bereich von Schnellstraßen, Stadtautobahnen und Fernverkehrsstraßen lässt sich eine Verringerung der Lärmbelästigung ebenso durch das Anlegen einer Lärmschutzpflanzung zwischen Straße und Wohngebiet erreichen. Eine spürbare Verbesserung bringt das Aufstellen von bepflanzten Schallschutzwänden. Zum Abschluss soll nun noch ein Versuch zur Schalldämpfung durchgeführt werden: Versuchsmaterial: Kochtopf (dickwandig), Wolldecke, Wecker Versuchsdurchführung: Über den auf dem Tisch stehenden Wecker wird der Kochtopf gestülpt. Versuchsergebnis: Das Stülpen des Topfes über den Wecker dämpft nur den Luftschall, nicht aber den Körperschall. 40

41 Versuchsdurchführung: Der Versuch wird wiederholt. Nun wird jedoch zwischen Tisch und Topf eine Decke gelegt. Versuchsergebnis: Die Wolldecke dämpft nun auch den Körperschall, der sich vorher über die Tischplatte ausbreiten konnte. 41

42 Literaturverzeichnis: Gollenz-Konrad-Breyer: Physik 2. Klasse. Verlag Hölder-Pichler- Tempsky. Wien: 1986 Gollenz-Konrad-Breyer: Physik 2. Klasse Arbeitsheft. Verlag Hölder- Pichler-Tempsky. Wien: 1987 Becker-Fürnstahl-Obendrauf-Wolfbauer: Physik heute 2. Veritas Verlag. Linz: 1994 Becker-Fürnstahl-Obendrauf-Wolfbauer: Lehrerhandbuch zu Physik heute 2. Salzburger Jugend Verlag. Salzburg: 1991 Ludick-Dopler-Hinterbuchinger-Reitinger: Begegnung mit Physik 2. Veritas Verlag. Linz: 1989 Werner Rentzsch: Experimente mit Spaß Hydro- und Aeromechanik, Akustik. Verlag Hölder-Pichler-Tempsky. Wien: 1995 Gerhard Graeb: Das große Experimentierbuch für Kinder, Eltern und Erzieher. Wiener Verlag. Wien: