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Begleittext - Kinderuni Hochrhein

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Kinderuni Hochrhein
21. Januar 2015
Wieso tönt eine Trompete?
Prof. Hugo Keller, Dr. Peter Robmann und Lucien Pauli
Physik-Institut der Universität Zürich
Täglich sind wir von Geräuschen, Lärm, Stimmen, Krach und Musik umgeben. In
dieser Vorlesung wollen wir zusammen einen kleinen Rundgang durch die
faszinierende Welt der Töne, Klänge und Geräusche machen. Mit Hilfe von einfachen
Experimenten wollen wir ergründen wie Schallwellen erzeugt werden, wie sie sich
ausbreiten und wie sie von unseren Ohren wahrgenommen werden. Einige der
gezeigten Experimente könnt ihr auch zu Hause selbst durchführen.
Schallwellen
Ein Musikinstrument kann durch anregen (blasen, streichen, schlagen) zum
Schwingen gebracht werden. Diese Schwingungen werden auf die umgebende Luft
des Instrumentes übertragen und führen zu winzigen Luftdruckschwankungen,
welche sich mit einer Geschwindigkeit von 340 Meter/Sekunde in der Luft als
Schallwelle fortpflanzen. Diese Schallwellen gelangen auf unsere Ohren und
bringen das Trommelfell zum Schwingen. Diese Schwingungen werden in der
Schnecke (Chochlea) im Innenohr analysiert und ans Gehirn zur Verarbeitung
weitergeleitet. Die Schallgeschwindigkeit in einem Gas hängt von seiner Dichte ab.
In Heliumgas, das eine kleinere Dichte als Luft hat, beträgt die Schallgeschwindigkeit
etwa 1000 Meter/Sekunde! Schallwellen können sich auch in einer Flüssigkeit (z.B.
Wasser) oder in einem festen Körper (z.B. Holzstab, Metallstab) ausbreiten (siehe
Tabelle unten). Im luftleeren Raum, d.h. im Vakuum, können sich Schallwellen nicht
ausbreiten.
Schallgeschwindigkeit
Luft
340 Meter/Sekunde
Heliumgas
1000 Meter/Sekunde
Wasser
1500 Meter/Sekunde
Holz
4000 Meter/Sekunde
Vakuum
keine Schallwelle möglich
Bemerkung:
Licht breitet sich viel schneller aus als Schall, nämlich mit einer Geschwindigkeit von
300'000'000 Meter/Sekunde!
Tonhöhe und Frequenz
Einen reinen Ton kann man beispielsweise mit einem Lautsprecher erzeugen,
dessen Membran gleichmässig und periodisch schwingt (siehe Bild unten). Die
Anzahl Schwingungen pro Sekunde nennt man die Frequenz (Einheit: Hertz = Hz):
1 Schwingung pro Sekunde
100 Schwingungen pro Sekunde
1ʼ000 Schwingungen pro Sekunde
1 Hz
100 Hz
1ʼ000 Hz
Ein tiefer Ton hat eine tiefe und ein hoher Ton eine hohe Frequenz. Das menschliche
Ohr kann Töne mit Frequenzen von 16 Hz bis ca. 20'000 Hz wahrnehmen. Die obere
Hörgrenze kann im Alter bis auf Werte von 5'000 Hz herabsinken. Der Hörbereich
Zeit
hohe Frequenz
hoher Ton
Amplitude
Amplitude
anderer Lebewesen erstreckt sich bis in den sog. Ultraschallbereich. Hunde
beispielsweise können Schallsignale mit einer Frequenz von über 20'000 Hz hören
(Hundepfeife). Fledermäuse orientieren sich mit Ultraschallwellen deren Frequenzen
im Bereich von 20'000 Hz bis 140'000 Hz liegen!
Bringt man eine angeschlagene Stimmgabel in die Nähe einer zweiten Stimmgabel
mit derselben Tonhöhe, so beginnt die zweite Stimmgabel auch zu schwingen.
Diesen Effekt nennt man Resonanz.
Zeit
tiefe Frequenz
tiefer Ton
Ton, Klang, Geräusch, Knall
Streng genommen wird nur eine reine, „wellenförmige“ Schwingung als Ton bezeichnet (siehe Bild oben). Der „Ton“ der meisten Schallquellen (Musikinstrumente,
Gesang) setzt sich jedoch aus Tönen unterschiedlicher Frequenzen und Amplituden
zusammen. Dabei entsteht eine komplizierte Schwingung, ein sog. Klang. Der
niedrigste Ton bestimmt die Tonhöhe des Klanges, die höheren Töne bestimmen
die Klangfarbe (Obertöne). So klingt ein „eingestrichenes“ a (440 Hz = StandardKammerton a) auf einer Harfe anders als auf einem Klavier oder auf einer Geige. Die
Tonhöhe eines Blasinstrumentes (Trompete, Pfeife, Flöte, etc.) hängt auch von der
Dichte des Gases ab, mit dem das Instrument angeblasen wird. Ist die Dichte des
Gases kleiner (z.B. Heliumgas) als die Dichte von Luft, so erhöht sich die Tonhöhe.
Ein Geräusch oder Rauschen enthält so viele benachbarte Frequenzen, dass sie
nicht trennbar sind. Auch ein Knall enthält alle Frequenzen.
Reiner Ton
Klang
Geräusch
Knall
Stimmgabel
Geige, Trompete, Klavier, etc.
schwatzende Kinder im Hörsaal, Schmirgelpapier, etc.
Schlag mit einem Lineal auf Tisch, platzender Ballon, etc.
Musikinstrumente
Ein Musikinstrument ist ein Gerät, das durch blasen in eine Röhre (Blasinstrumente),
durch streichen/zupfen von Saiten (Saiteninstrumente), oder durch Schlagen auf eine
Membran (Schlaginstrumente) zum Klingen gebracht wird. Jedes Musikinstrument
hat eine charakteristische Klangfarbe, die das gleichzeitige Spielen von mehreren
Musikinstrumenten in einem Orchester ermöglicht.
Hast du weitere Fragen, dann schreibe uns!
e-mail: peter@physik.uzh.ch
23. Januar 2015
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Gesundheitswesen
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