Datei: tempfile_3778.doc Stand: 4.5.2015 www.zauberhafte-physik.net
Td1- Lerninhalt: Wir zaubern mit Tönen
Schall ist der Oberbegriff für Töne, Klänge und Geräusche. Er wird durch Schwingungen von Luftteilchen an unser Trommelfell übertragen und dann im Ohr in elektrische Signale verwandelt, die wir als Ton wahrnehmen (T4).
Dabei bleiben die Luftteilchen an der gleichen Stelle, sie schwingen um eine Ruhelage; lediglich die Energie wandert weiter (Demonstration T10). Bei gleichmäßigen Schwingungen sprechen wir von Tönen.
Bei auf einander abgestimmten Tönen sprechen wir von Klang; nicht aufeinander abgestimmte Töne nennen wir Geräusch.
Schwingungen bzw. Schallwellen entstehen dadurch, dass
wir in unserem Mund Schallwellen entstehen lassen (T19) oder dass
Teile von Gegenständen wie Saiten und Trommelfelle (siehe Versuch T1)
ganze Gegenstände wie Klangschalen, Gläser und Becken (siehe Versuche T2, T3) oder
Luftsäulen in Blasinstrumenten und Rohren (siehe Versuche T5, T7, T8)
in gleichmäßige Bewegungen versetzt werden und die dabei entstehende Bewegungsenergie an die Luft abgeben.
Die abgegebene Bewegungsenergie drückt Luftteilchen an einer Stelle dichter zusammen und zieht sie an anderer Stelle auseinander. Das geschieht im Wechsel. Diesen Wechsel nennen wir Schwingung (siehe Zeichnung).
Da die Zonen der Luftverdichtung und Verdünnung in Ausbreitungsrichtung fortwandern, sprechen wir von einer Längs- oder Longitudinalwelle – im Gegensatz zur Quer- oder Transversalwelle des Wassers, bei der Wellenberg und Wellental senkrecht zur Ausbreitungsrichtung weiter wandern.
Die Geschwindigkeit, mit der Verdichtung und Verdünnung der Luftteilchen aufeinander folgen, bestimmt die
Tonhöhe. Je schneller der Wechsel zwischen Verdichtung und Verdünnung erfolgt, ist, desto höher ist der Ton, den wir hören. Die Schwingungen pro Sekunde bezeichnen wir als Frequenz und messen sie in Hertz:
1 Schwingung/sek. = 1 Hertz (Hz).
Für den Menschen sind nur diejenigen Schwingungen hörbar, die im Frequenzbereich von 16 bis 20 000 Hz (= Zahl der Schwingungen pro Sekunde) liegen; im Alter verringert sich der wahrnehmbare Bereich. Hunde dagegen hören auch Luftschwingungen höherer Frequenzen (Hundepfeife).
Schall wird in der Regel über die Luft übertragen. Die Geschwindigkeit, mit der eine Schallwelle sich von der
Schallquelle in die Umgebung ausbreitet, nennen wir Schallgeschwindigkeit. Sie beträgt 340 m/s und ist wesentlich geringer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes; die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300 000 000 m/s. Daher sehen wir bei einem Gewitter immer erst den Blitz und hören danach den Donner; dabei bedeuten 3 s Unterschied einen Abstand von 1000 m = 1 km.
Schall kann aber auch über flüssige und feste Körper wie Wasser, Knochen oder Metall übertragen werden (Versuche T3, T12, T13, T18). Im Wasser ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit höher als in Luft; Taucher hören das Blubbern der entweichenden Luft; Delphine „sprechen“ miteinander. Am höchsten ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Metall: ein herannahender Zug kann aus großer Entfernung wahrgenommen werden, wenn man sein Ohr auf die Schienen legt (Körperschall). Manchmal wird die Schallenergie aus der Luft von Körpern aufgenommen, im Körper weiter geleitet und dann wieder an die Luft abgegeben, die ihn an unser Trommelfell überträgt.
Beispiele: Geräuschübertragung in Heizungsrohren oder Betonwänden, Morsen im Gefängnis.
Ohne Übertragungsstoff, also ohne Teilchen, die die Druckschwankungen weiter geben, gibt es keinen Schall, d.h.
im luftleeren Raum kann man nichts hören.
IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII I I I I I I I I I I I I IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII I I I I I I I I I III IIIIIIIIIIIIIIIIII I I I I I I I I I III Luftverdichtung Luftverdünnung Luftverdichtung
Längs- oder Longitudinalwelle (ungleichmäßiges Schunkeln)
Quer- oder Transversalwelle (Seilwelle oder Wasserwellen)
Die Lautstärke wird von der Größe der Druckunterschiede bestimmt.
Die Richtung, aus der der Schall kommt, stellen wir durch den unterschiedlichen Abstand unserer Ohren von der Schallquelle fest, d.h. die Luftschwingung trifft das eine Ohr geringfügig eher als das andere Ohr (T14).
Bewegt sich eine Schallquelle auf unser Ohr zu, so addiert sich die Geschwindigkeit der Schallquelle zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Luftschwingung und wir nehmen einen höheren Ton wahr; diese Erscheinung nennen wir Doppler-Effekt (T19). Beispiel: Fahrendes Polizeiauto mit Sirene.
Trifft eine Luftschwingung auf eine Wand, wird sie umgelenkt, reflektiert (T16). Wird eine Luftschwingung mehrfach reflektiert, sprechen wir von Echo.
