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Grundlagen der Akustik

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Philip Rupp
Grundlagen der Akustik
lernst du in der 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse - 8. Klasse

Beschreibung Grundlagen der Akustik

Die Welt von heute ist sehr laut. Überall hört man Stimmen, Musik, Töne und Geräusche. Hier erfahrt ihr was es mit all diesem Schall auf sich hat. Du lernst in diesem Video, wie man Geräusche und Töne physikalisch beschreiben kann. Des Weiteren schauen wir uns an wie man Schall überhaupt erzeugen kann. Das heißt wir betrachten verschiedene Musikinstrumente, aber auch einen Traktor. Dabei lernst du, was den schönen Ton einer Gitarre vom Lärm eines Traktors unterscheidet. Viel Spaß!

Transkript Grundlagen der Akustik

Guten Tag und willkommen beim Lernvideo über die Grundlagen der Akustik. Jeder Mensch hat im Allgemeinen 5 Sinne. Er kann sehen, schmecken, riechen, fühlen und hören. Jeder Sinn reagiert dabei auf gewisse Reize und lässt uns so unsere Umwelt wahrnehmen. Unser Hörsinn zum Beispiel reagiert auf Schall. Das physikalische Gebiet, das sich mit dem Schall beschäftigt, heißt Akustik. Wir wollen uns nun etwas mit den Grundlagen dieses Themenbereichs auseinandersetzen. Hierbei werden wir uns zuerst ansehen, was Schall überhaupt ist. Wie erzeugt man Schall und wie nehmen wir ihn wahr? Das wollen wir dann gleich an ein paar praktischen Beispielen aus unserem Alltag verdeutlichen. Musikinstrumente sind ja für ihre wunderschönen Klänge bekannt. Aber warum erzeugen sie eine so schöne Melodie, während ein Traktor ein eher nerviges lautes Brummen von sich gibt? Und zum Schluss wollen wir uns die Grundgrößen des Schalls ansehen. Wir versuchen zu verstehen, was die unterschiedlichen Töne einer Tonleiter ausmacht und wann ein Geräusch laut oder leise ist. All dies sind Fragen der Akustik und wir wollen ihnen auf den Grund gehen. Beginnen wir aber erst einmal am Anfang. Schall ist überall um uns herum. Unsere Stimme, Musik, jeder Ton, jedes Geräusch, ist nichts anderes als Schall. Ihr hört mich zum Beispiel gerade über eure Lautsprecher. Und auch hier ist es wieder der Schall, den eure Ohren wahrnehmen. Wie kommt aber der Schall aus dem Lautsprecher? Dazu müsst ihr wissen, was Schall ist. Hierfür könnt ihr ein kleines Experiment durchführen. Berührt dazu mit einer Hand ganz leicht euren Hals. Und nun sprecht ein paar Worte, singt ein kurzes Lied oder brummt einfach etwas. Es sollte aber kein Flüstern sein, sondern schon ein bisschen lauter. Merkt ihr ein leichtes Vibrieren an eurem Hals? Wenn ihr eine Glocke oder eine Stimmgabel anschlagt, könnt ihr auch hier dieselben Vibrationen merken. Schall hat also etwas mit Vibration oder besser Schwingungen zu tun. Man kann sogar allgemein sagen, dass Schall einfach nur eine Schwingung ist. Und Schwingen bedeutet, dass sich etwas immer hin und her bewegt. Genau das Gleiche passiert in eurem Hals, wenn ihr redet. Denn dort befinden sich die Stimmbänder und diese fangen beim Sprechen an, sehr schnell zu vibrieren.Und diese raschen Schwingungen geben sie dann an die Luft weiter und so entsteht eure Sprache. Der Lautsprecher, durch den ihr gerade meine Stimme hört, funktioniert genauso. Der wesentliche Teil eines solchen Lautsprechers ist eine Membran, also eine Art dünnes elastisches Tuch. Wenn man den Lautsprecher einschaltet, dann fängt diese Membran an zu schwingen, also sich hin und her zu bewegen. Diese Schwingungen gibt die Membran an die Luft weiter, ähnlich wie wenn man mit einem Fächer wedelt. Und nach kurzer Zeit erreichen sie schließlich euer Ohr. Das reagiert nun auf diese Schwingungen und nimmt sie als Schall wahr. Das ist das Prinzip des Schalls. Es sind lediglich Schwingungen, die wir als Geräusche wahrnehmen. Schauen wir uns doch ein paar andere Beispiele an. Jeder von euch kennt sicher eine Menge Musikinstrumente. Ihr einziger Zweck ist es Geräusche und Töne zu erzeugen. Und wir wollen verstehen, wie sie das im Einzelnen tun. Man kann Instrumente grob in 4 Kategorien einteilen: Saiteninstrumente, welche mit Membranen, Blasinstrumente und die sogenannten Selbstklinger. Zu den Saiteninstrumenten gehört beispielsweise die Gitarre. Saiten nennt man im Allgemeinen die dünnen Schnüre, die meistens aus Stahl oder Plastik sind und quer über die Guitarre gespannt werden. Will man auf dieser nun spielen, so muss man dazu an den Saiten entlang streichen. Dabei werden die Saiten zum Schwingen angeregt und erzeugen einen Ton. Als nächstes kommen die Instrumente mit Membranen. Hier wird nun keine Saite zum Schwingen gebracht, sondern ein dünnes Tuch oder eine Haut. Dies ist unter anderem bei Trommeln der Fall. Schlägt man oben auf eine Trommel, fängt die darauf gespannte Membran an zu vibrieren. Diese Schwingungen gibt die Trommel an die Luft weiter und so erzeugt sie ein Geräusch. Erinnert ihr euch noch? Die Lautsprecherbox eures Computers hat ganz ähnlich funktioniert. Dann gibt es noch die Blasinstrumente, wozu auch die Flöte zählt. Diese Art von Instrumenten hat keinen besonderen Teil, der anfangen kann zu schwingen, sondern hier wird die Luft durch kleine Öffnungen gepustet und dadurch fängt sie selber an zu schwingen. Die Schwingungen der Luft wandern dann bis in euer Ohr, und ihr nehmt den Schall als wohlklingenden Ton wahr. Die letzte Art von Musikinstrumenten sind die Selbstklinger. Das beste Beispiel ist die Glocke. Schlägt man eine Glocke an, so fängt sie vollständig an zu schwingen. Es vibriert also nicht nur eine Membran oder eine Saite, sondern quasi das ganze Instrument selber. Ihr seht also, dass man auf die unterschiedlichsten Arten Schwingungen hervorbringen und so jede Menge unterschiedlicher Töne und Geräusche erzeugen kann. Aber wie ihr sicher wisst, erzeugen nicht nur Musikinstrumente Schall. Ihr könnt zum Beispiel hören, wenn ihr auf den Tisch haut, einen Löffel fallen lasst oder wenn ein großer Traktor über einen Acker fährt. Schall kommt von überall. Aber wieso hört sich der fallende Löffel oder der brummende Traktor nicht so schön an, wie die klingende Saite einer Guitarre? Wir haben gesagt, dass Schall nichts anderes ist, als eine Schwingung. Wenn sich also der Schall verschiedener Dinge anders anhört, müssen andere Schwingungen zugrunde liegen. Vergleichen wir also einmal die Saite einer Guitarre und den Motor eines Traktors. Schlägt man die Saite an, so fängt sie sehr gleichmäßig an, hin und her zu schwingen. Das tut sie zwar sehr schnell, aber man kann deutlich sehen, wie die Schwingung aussieht, nicht wild hin und her, sondern immer schön links, rechts, links, rechts. Und diese schöne gleichmäßige Schwingung erzeugt schönen gleichmäßigen Schall, den man Ton nennt. Bei einem Traktormotor sieht das ganz anders aus. Er poltert und hüpft von oben nach unten und von links nach rechts, wie er gerade will. Keiner kann sagen, wo er als Nächstes hinwackelt. Die Vibrationen und Schwingungen sind überhaupt nicht gleichmäßig. Und der daraus resultierende Schall hört sich genauso unschön an. Es ist meist ein Ächzen, Krachen, Rauschen oder Scheppern. Diesen ungleichmäßigen Schall nennt man auch einfach Geräusch. Im Allgemeinen kann man über Geräusche nicht viel sagen, da sie ja keiner Gleichmäßigkeit oder Regelmäßigkeit unterliegen. Doch Töne, also schöne und gleichmäßige Schallarten, haben noch ein paar andere Eigenschaften. Wir wollen also noch einige weitere Größen des Schalls betrachten, insbesondere von Tönen. Dazu stellen wir uns am besten 2 Guitarrensaiten vor. Damit diese Saiten schöne Töne erzeugen, müssen sie gleichmäßig schwingen. Doch auch dabei gibt es Unterschiede in der Art, wie sie schwingen können. Die eine kann zum Beispiel schnell schwingen, die andere dagegen langsam. Die Anzahl der Schwingungen in einer Sekunde nennt man Frequenz. Schwingt eine Saite sehr schnell, so hat sie eine hohe Frequenz und solche Schwingungen erzeugen sehr hohe Tonarten. Während dessen bedeutet eine niedrige Frequenz wenige Schwingungen in einer Sekunde und halt eben einen tiefen Ton. Eine große Glocke erzeugt eher einen solchen tiefen Ton und vibriert deswegen recht langsam. Schlägt man mit einem Löffel aber gegen ein Weinglas, so hört man einen ziemlich hohen Ton. Es vibriert also öfter in einer Sekunde als eine große Glocke. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde hat also Einfluss auf die Tonhöhe. Die Frequenz und damit die Höhe eines Tons ist ein sehr wichtiges Thema in der Musik. Jede einzelne Tonart klingt anders und ist unterschiedlich hoch oder tief. Das bedeutet, dass jeder Tonart auch eine andere Frequenz zugrunde liegen muss. Am bekanntesten ist hierbei der Kammerton a, der bei einer Schwingungsfrequenz von 440 Schwingungen pro Sekunde erzeugt wird. Andere Frequenzen würden unter Umständen den Ton c, fis oder ganz andere Tonarten ergeben. Was auch noch einen großen Einfluss auf den abgegebenen Schall hat, ist die sogenannte Amplitude. Diese gibt an, wie weit bzw. stark etwas schwingt. Große Amplituden bedeuten hierbei sehr lauten abgegebenen Schall. Die Schwingungen sind heftiger und unser Ohr kann sie besser wahrnehmen. Schwingungen mit kleinen Amplituden geben eher leisen Schall ab. Diesen Unterschied kann man bei Glocken oder Guitarrensaiten am besten sehen. Schlägt man diese nur leicht an, so hört man kaum etwas und kann kaum eine Vibration erkennen. Doch bei einem heftigen Anschlag hört und sieht man die Schwingungen sehr deutlich. Die Akustik ist ein interessanter Bereich. Sie entschlüsselt uns das Gebiet der Geräusche und Töne und lässt uns verstehen, wieso die Welt so klingt, wie sie es tut. Jedem Schall liegt eine Schwingung zugrunde. Und analysiert man diese, so erhält man Auskunft über zum Beispiel die Tonhöhe oder Lautstärke des Schalls. Ich bedanke mich fürs Zuschauen und wünsche euch noch viel Spaß, wenn ihr das nächste Mal eine Guitarre oder eine Glocke seht.  

36 Kommentare

36 Kommentare
  1. na ja gibt auch geige als seitenklinger

    Von Marie Seb, vor mehr als einem Jahr
  2. nein

    Von Champions Eros, vor mehr als einem Jahr
  3. Hat mir richtig geholfen. Danke

    Von S Sutterer, vor mehr als einem Jahr
  4. 1:33 Wer hat es ausprobiert

    Von Orchidee Garten, vor mehr als einem Jahr
  5. Gut gemacht

    Von Arno Ritter, vor mehr als 2 Jahren
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Grundlagen der Akustik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Grundlagen der Akustik kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, welche Objekte Töne, Klänge oder Geräusche von sich geben.

    Tipps

    Ein unharmonisches Geräusch Kling häufig nicht angenehm.

    Nur Musikinstrumente die nur eine einzelne Spielmöglichkeit haben, können Töne abgeben.

    Lösung

    In der Akustik wird unterschieden zwischen Geräuschen, Klängen und reinen Tönen.

    Töne empfinden wir als sehr harmonisch und rein, sie zeichnen sich durch eine sehr harmonische Schwingung aus, die im Idealfall nur einen einzigen Frequenzwert aufweist. Beispiele für Objekte die Töne erzeugen sind: Die Stimmgabel, die Triangel und auch ein mit Wasser gefülltes Glas, welches angeschlagen wird.

    Klänge empfinden wir auch als harmonisch und angenehm, sie zeichnen sich durch eine Schwingung aus, die nur wenige unterschiedliche Frequenzen aufweist. Beispiele für Objekte die Klänge, zumeist Dreiklänge, erzeugen sind: die Gitarre, die Flöte und viele weitere Musikinstrumente.

    Geräusche empfinden wir auch als unharmonisch und unangenehm, sie zeichnen sich durch eine chaotische Schwingung aus, die viele Frequenzwerte besitzt. Beispiele für Objekte die Geräusche erzeugen sind: das Auto, das Flugzeug, der Presslufthammer und viele mehr.

  • Gib an, wie ein Ton erzeugt wird.

    Tipps

    Schall ist Schwingung, die wir als Geräusch wahrnehmen.

    Ein Ton ist ein Geräusch mit harmonischer Schwingung.

    Lösung

    Um zu verstehen, wie ein Ton erzeugt werden kann, betrachten wir zunächst , was ein Ton überhaupt ist. Als Ton bezeichnet man Schall, der harmonisch schwingt.
    Eine Schallwelle, die nicht unbedingt harmonisch schwingt, können wir als Geräusch bezeichnen. So kommt es, dass wir Musik als harmonisch und angenehm wahrnehmen, Straßenlärm hingegen als unangenehm.
    Da eine Schallwelle nun die Teilchen der Luft als Schwingkörper gebraucht, können wir auch sagen: Ein Ton ist eine harmonische Welle schwingender Luftteilchen.
    Um die Luft zum schwingen anzuregen, muss eine Erregerschwingung diese anregen.

    Dazu können wir etwa die Saite einer Gitarre betrachten. Zupfen wir diese an, so schwingt die Saite hin und her. Die Schwingung wird nun an die Luft übertragen und setzt sich durch den Raum fort, wo es dann die Zuhörer erreichen kann.

    Analog dazu versetzt auch die Membran einer Trommel oder der Körper einer Glocke die Luft in Schwingung. Wir hören dann einen Ton oder ein Geräusch.

  • Untersuche die Musikinstrumente.

    Tipps

    Wir unterscheiden Musikinstrumente im Hinblick auf ihre Schwingeigenschaften.

    In jedem Fall wird eine Schwingung an die Luft übertragen.

    Manche Instrumente können sehr unterschiedliche Töne erzeugen, andere nur einen einzelnen.

    Lösung

    Betrachten wir verschiedenen Musikinstrumente, so können wir diese im Hinblick auf ihre Schwingeigenschaften kategorisieren.

    Man unterscheidet:

    Die Saiteninstrumente, die einen Ton dadurch erzeugen, dass schwingende Saiten ihre Vibration an die Luft übertragen. Unterschiedlich dicke und lange Saiten haben dabei verschiedene Frequenzen. So können sehr viele verschiedene Tonhöhen gespielt werden.
    Beispiele sind etwa die Gitarre oder die Geige.

    Die Membraninstrumente, bei denen eine Membran schwingt, bezeichnet man als Membraninstrument. Die schwingende Membran regt dabei die Luft zum Schwingen an, sodass ein Ton entsteht.
    Beispiele für diese Kategorie sind etwa die Trommel, Lautsprecher oder Kopfhörer.

    Die Blasinstrumente regen die Luft direkt zum Schwingen an. Dabei kann meist geregelt werden, mit welcher Frequenz sich die Schwingung ausbreitet. So kannst du bei einer Flöte durch Zuhalten verschiedener Löcher verschieden hohe Töne erzeugen.
    Weitere Beispiele neben der Flöte sind etwa eine Pfeife oder eine Trompete.

    Zuletzt wollen wir die Selbstklinger betrachten. Zu diesem zählt man Instrumente, deren gesamte Körper dazu genutzt werden, Schwingung an die Luft zu übertragen. Meist verfügen diese über nur eine Frequenz, sodass diese auch nur einen bestimmten Ton abgeben. Das kann zum Teil sehr praktisch sein: So kann man mit der Stimmgabel, die stets denselben Ton abgibt, andere Instrumente einstellen.
    Ein weiteres Beispiel für einen Selbstklinger ist die Glocke.

  • Untersuche die Frequenz der Töne.

    Tipps

    Warum spricht man eigentlich von hohen und tiefen Tönen?

    Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer.

    Lösung

    Wie hoch oder tief ein Ton erscheint, hängt mit seiner Frequenz zusammen.

    Helle oder hohe Töne haben eine hohe Frequenz, niedrige oder dunkle Töne haben eine niedrige Frequenz.

    Zur Erinnerung: Die Frequenz ist der Kehrwert der Periodendauer. Diese gibt also an, wie viele Perioden in einer bestimmten Zeit ablaufen. Finden viele Schwingungen oder Perioden innerhalb einer kurzen Zeit statt, so ist die Frequenz sehr hoch. Werden nur wenige Schwingungen über einen festgelegten Zeitraum durchlaufen, ist die Frequenz niedrig.

    Wir können also sagen, ist ein Ton sehr hoch, so durchläuft dieser sehr viel mehr Perioden als ein niedriger Ton in derselben Zeit.

    Betrachten wir den höchsten und tiefsten Ton aus den Beispielen.

    Eine Schwingung, die sich mit der Frequenz $f = 528 Hz$ ausbreitet, bezeichnen wir als hohes $C$. Die Umlaufdauer einer Schwingung des Tones hohes $C$ beträgt demnach $ T = 0,00189 s $.

    Im Vergleich dazu beträgt die Frequenz des tiefen $C = 333 Hz$ und damit $T_{c,t} = 0,00300 s$.

    Die geringere Frequenz und die damit verbundene längere Periodendauer nimmt unser Ohr in einem Unterschied der Tonhöhe wahr.

  • Gib an, wodurch die Lautstärke des Schalls bestimmt ist.

    Tipps

    Je höher die Amplitude ist, desto höher ist die Energie, die eine Welle trägt.

    Die Frequenz einer akustischen Welle gibt an, wie hoch ein Ton erscheint.

    Lösung

    Betrachten wir die modifizierte Sinusfunktion. Diese sieht in etwa so aus wie eine Welle, die sich ausbreitet. Um festzustellen, wie laut eine solche Schallwelle ist, betrachten wir die maximale Auslenkung oder Amplitude der Welle.

    In unserem Beispiel etwa wird die Welle aus ihrer Ruhelage $0$ um den Betrag $3$ auf die y-Werte $-3$ und $3$ ausgelenkt. Wir können sagen: Die Amplitude der Welle hat den Betrag $3$.

    Eine Welle mit gleicher Frequenz, also der selben Anzahl an Schwingungen pro Sekunde, und gleicher Wellenlänge, die jedoch eine geringere Amplitude hat, transportiert weniger Energie.

    Die Amplitude ist also ein Hinweis auf die Energie, die eine Welle transportiert. Je höher die Amplitude ist, desto höher ist die Energie, die eine Welle trägt. Die Energie eine Welle nehmen wir als Lautstärke wahr. Je energiereicher die Welle ist, desto lauter erscheint diese uns.

    Das macht auch Sinn, wenn du dir überlegst, dass eine energiereiche Welle viel Energie an unser Trommelfell abgibt. So als würdest du einmal nur ganz leicht den Tisch klopfen und ein zweites mal wesentlich fester. Im ersten Fall wird der Ton sehr viel leiser erscheinen als im zweiten Fall.

    Viel Spaß beim Experimentieren.

  • Analysiere den Unterschied zwischen Ton und Geräusch.

    Tipps

    Manche Signal empfinden wir als sehr harmonisch und angenehm, andere können uns stressen.

    Harmonische Signale werden durch regelmäßige Schwingung erzeugt.

    Ein Ton wird durch eine regelmäßige Schwingung erzeugt.

    Lösung

    Dass akustische Signale sehr unterschiedlich sein können, ist wohl kaum zu bestreiten.

    Während wir manche Signal als sehr harmonisch und angenehm empfinden, sind andere sehr unangenehm und können uns stressen.

    Als Beispiele betrachten wir einen Traktor und ein Saiteninstrument.

    Im Traktor schwingen viele einzelne Teile wie etwa der Motor und das Gehäuse. Jedoch sind diese Schwingungen sehr unregelmäßig und unharmonisch. Dazu kommt dass der Traktor relativ laute Signale erzeugt. Nehmen wir diese Eigenschaften zusammen, ergibt sich ein unregelmäßiges, unharmonisches und lautes Signal, welches wir als Geräusch oder Lärm bezeichnen.

    Dass akustische Signale auch angenehm sein können, beweist die Musik. Zupfen wir die Saite auf einer Gitarre, so gibt auch diese ihre Schwingung an die umgebende Luft ab. Es entsteht ein akustisches Signal. Der Unterschied zum Geräusch besteht nun darin, dass die Schwingungen die die Saite abgibt harmonisch sind. Das liegt daran, dass die Saite regelmäßig mit konstanter Frequenz hin- und herschwingt. Wir empfinden solche Signale als angenehm. Dazu kommt, dass wir Musik in der Regel in angenehmer Lautstärke hören können, sodass wir im Allgemeinen eine positive Erfahrung mit der Musik assoziieren.

    Tatsächlich wird Musik von Ärzten und Therapeuten sogar auf ihre heilende Wirkung hin untersucht. Man geht heute davon aus, das Musik tief auf viele Ebenen des Gehirns Einfluss nehmen kann und so Zugang zu tief verankerten Emotionen hat.

    Ganz schön bemerkenswert, wie unterschiedlich sich akustische Schwingungen, die sich lediglich in Amplitude und Frequenz unterscheiden, auf den Menschen auswirken können.

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