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Töne und Klänge in der Musik

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Physik-Team
Töne und Klänge in der Musik
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Grundlagen zum Thema Töne und Klänge in der Musik

Inhalt

  • Töne und Klänge in der Physik
  • Töne, Klänge und Geräusche
  • Töne und Klänge in der Physik

    Hast du dich schon einmal gefragt, warum sich eine Gitarre und ein Klavier unterschiedlich anhören, auch wenn man denselben Ton auf ihnen anschlägt? Das hat etwas mit dem Unterschied zwischen Ton, Klang und Geräusch zu tun. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen. Dazu solltest du schon wissen, was Schall ist.

    Töne, Klänge und Geräusche


    Was ist ein Ton?

    Im Alltag benutzen wir die Wörter Ton und Töne häufig, um über Musik oder Musikinstrumente zu sprechen. Wenn wir in der Physik über Töne sprechen, müssen wir allerdings gut aufpassen! Denn in der Musik und der Physik gibt es unterschiedliche Definitionen des Begriffs Ton. Nach der physikalischen Definition bezeichnet man mit Tönen nämlich nur reine, periodische Sinusschwingungen. Solche Schwingungen kannst du zum Beispiel mit einer Stimmgabel erzeugen. Wenn du den Ton einer Stimmgabel mit einem Mikrofon aufnimmst, kannst du die Schwingung mit einem Oszilloskop (oder mit einem Programm auf deinem Computer) sichtbar machen. Das sieht dann folgendermaßen aus:

    ton einer stimmgabel physik

    Hier kannst du auch schon einige wichtige Größen des Tons erkennen. Die Höhe der Auslenkung, also die Amplitude, gibt an, wie laut ein Ton ist. Je größer die Amplitude, desto lauter ist der Ton.
    Die Tonhöhe entspricht der Frequenz der Schwingung – also der Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Je höher die Frequenz, desto höher ist auch der Ton.
    Die meisten Stimmgabeln schwingen beispielsweise mit einer Frequenz von $440~\pu{Hz}$. Das $\pu{Hz}$ steht für Hertz – so heißt die Einheit der Frequenz. Das bedeutet, dass die Zinken der Stimmgabel pro Sekunde $440$-mal schwingen. Der Ton mit dieser Frequenz heißt auch Kammerton a.

    Wenn du nun ein hohes a auf der Gitarre spielst, klingt das anders. Das liegt daran, dass du gar keinen Ton, sondern einen Klang spielst. Schauen wir uns an, worin der Unterschied besteht.


    Was ist ein Klang?

    Bei einer Gitarre erzeugst du einen Klang, indem du eine Gitarrensaite in Schwingung versetzt. Spielst du beispielsweise ein hohes a mit einer Frequenz von $440~\pu{Hz}$, schwingt die Saite $440$-mal pro Sekunde. Es gibt aber einen großen Unterschied zur Stimmgabel: Die Gitarrensaite schwingt nicht nur in dieser Frequenz, sondern gleichzeitig in vielen anderen Frequenzen. Das hat verschiedene Ursachen: Zum einen schwingt die Saite nicht nur hin und her, sondern dehnt sich auch in der Länge. Zum anderen schwingt auch der Korpus oder Klangkörper der Gitarre. Und das ist auch so beabsichtigt (Bei guten Gitarren wird die Holzart sogar nach ihren akustischen Eigenschaften ausgewählt!). Was du nach dem Anschlagen einer Saite hörst, ist also eine Überlagerung von vielen verschiedenen Tönen. Dabei ist das hohe a der Grundton und alle anderen, überlagerten Töne sind die Obertöne. Wenn du einen Klang mit einem Mikrofon aufnimmst und am Oszilloskop oder Computer abbildest, sieht das ungefähr so aus:

    klang physik gitarre

    Die Kurve ist immer noch periodisch, aber es handelt sich durch die Überlagerung nicht mehr um einen reinen Sinus. Übrigens: Das ist auch der Grund, warum Instrumente unterschiedlich klingen. Wenn man beispielsweise ein hohes a auf einer Gitarre und einem Klavier spielt, hat der Grundton bei beiden eine Frequenz von $440~\pu{Hz}$. Aber beide Instrumente erzeugen unterschiedliche Obertöne – deswegen klingen sie unterschiedlich.


    Was ist ein Geräusch?

    Geräusche begegnen dir in deinem Alltag, aber auch in der Natur. Das Plätschern eines Baches ist zum Beispiel ein Geräusch. Wenn du ein Geräusch aufnimmst und am Computer abbildest, kannst du keine Regelmäßigkeiten mehr erkennen. Der Verlauf sieht dann zum Beispiel so aus:

    geräusche physik

Transkript Töne und Klänge in der Musik

Hallo. Weißt du, was ein Dreiklang ist? Das sind 3 aufeinander folgende harmonische Töne. In diesem Fall ist das ein C-Dur-Dreiklang. Töne und Klänge kennst du aus der Musik, aber was hat das mit Physik zu tun?

Videoeinführung

Also zum einen sind Töne und Klänge Schallwellen, die von Musikinstrumenten erzeugt werden. Außerdem gibt es einen Unterschied zwischen einem Ton, einem Klang und einem Geräusch. Dann zeige ich dir, mit welchen Kenngrößen solche Töne wie beim Dreiklang beschrieben werden können, was uns dann direkt zu Intervallen und Tonleitern führt, die man wunderbar physikalisch beschreiben kann.

Töne aus Musikinstrumenten

Da wir hier allgemein über Schallwellen sprechen, wäre es gut, wenn du die Grundlagen dazu schon kennst. Fangen wir also mit den Musikinstrumenten an. Wie du schon weißt, sind Töne im physikalischen Sinne Schallwellen, die wir hören können. Schallwellen entstehen dabei durch das schnelle Schwingen eines Körpers.

Schallerzeugung bei Gitarre, Violine & Co.

Bei Musikinstrumenten gibt es verschiedene Arten der Schallerzeugung, je nachdem was dort eigentlich schwingt. Bei einer Gitarre, Violine oder auch im Klavier schwingt eine Saite aus Metall, Tierhaaren oder Kunstfasern. Wenn man eine Stimmgabel anschlägt, schwingen die Gabelzungen. Auch bei einer Mundharmonika oder einem Akkordeon schwingen dünne Metallzungen.

Und bei einer Flöte oder einer Orgel schwingt die Luft selbst. Innerhalb der Pfeifen schwingt eine Luftsäule, die beim Verlassen des Instrumentes den Ton erzeugt. Solche Schallschwingungen kann man nun mit Hilfe eines Mikrophones und einem Oszilloskop aufzeichnen. Auf dem Bildschirm wird dann der Schwingungsverlauf dargestellt.

Der Schwingungsverlauf

Bei dem klaren Ton einer Stimmgabel ergibt sich dabei eine schön gleichmäßige und periodische, das heißt wiederkehrende, Wellenlinie. Schlagen wir dagegen die Saite einer Gitarre an, dann sieht der Schwingungsverlauf eher so aus. Eine Gitarre erzeugt nämlich keinen Ton, sondern einen Klang.

Grundschwingungen und Oberschwingungen

Ein Klang entsteht aus der Überlagerung von mehreren Tönen. Das erkennt man im Bild daran, dass die Schwingung zwar periodisch ist, es aber keinen gleichmäßigen Verlauf gibt, wie beim Ton. Der Grund dafür ist, dass die Gitarrensaite auf mehrere Arten gleichzeitig schwingt und es neben der Grundschwingung noch sogenannte Oberschwingungen gibt. Das ist übrigens bei jedem Musikinstrument so. Alle Musikinstrumente erzeugen Klänge,die aus mehreren Tönen bestehen.

Amplitude und Frequenz

Neben Tönen und Klängen gibt es noch Geräusche, wie zum Beispiel das Plätschern von Wasser. Hier ist der Schwingungsverlauf sehr ungleichmäßig und man kann auch kein wiederkehrendes Muster erkennen. Töne zum Teil auch Klänge lassen sich durch gewisse Kenngrößen beschreiben. Zwei davon sind hier besonders wichtig. Die Amplitude und die Frequenz.

Die Amplitude beschreibt die Stärke einer Schwingung und wir können sie direkt im Schwingungsbild ablesen. Je stärker wir die Gitarrensaite anschlagen, desto größer ist die Amplitude. Und je größer die Amplitude, desto lauter ist der Ton. Die Frequenz ist so etwas wie die Häufigkeit einer Schwingung. Sie beschreibt, wie oft der Körper in einer Sekunde schwingt.

Zusammenhang zwischen Frequenz und Ton

Schlagen wir eine Gitarrensaite zum Beispiel im Dur-Ton C an, so schwingt sie im Grundton 264 mal pro Sekunde. Man sagt, die Frequenz beträgt 264 Hertz. Greifen wir jetzt in einem tieferen Bund und verkürzen die Saite, dann schwingt sie schneller. Die Frequenz des Tones beträgt jetzt 330 Hertz. Das ist der Ton E. Wir sehen also: Je höher die Frequenz einer Schwingung, desto höher ist der Ton.

Intervalle und Tonleitern

Anhand der Frequenz können wir nun Intervalle und Tonleitern beschreiben. Ein musikalisches Intervall ist dabei durch das Frequenzverhältnis der Töne gekennzeichnet. So beträgt das Verhältnis vom Ton C zum Ton E gerade 264 zu 330 Hertz und das ist ein Verhältnis von 4 zu 5. In der Musik ist das eine große Terz.

Auf diese Weise wird nun eine ganze Tonleiter aufgebaut. Bei einer Tonleiter stehen alle Töne in einem bestimmten Intervall zum Grundton. Bei der C-Dur-Tonleiter ergeben sich so ausgehend vom Grundton C alle anderen Noten durch das Frequenzverhältnis der Töne.

Die Entstehung eines Dreiklangs

Und hier sehen wir auch, was wir für unseren Dreiklang brauchen. Dieser besteht aus einer großen Terz und einer Quinte. Eine Quinte ist das Intervall von 2 zu 3. Ausgehend vom Grundton C rechnen wir also 264 Hertz durch 2 mal 3. Das ergibt eine Frequenz von 396 Hertz und das ist der Ton G. Damit ist unser Dreiklang komplett.

Zusammenfassung zu Tönen, Klängen und Geräuschen

So, das war ein kleiner Exkurs zur physikalischen Musik. Du weißt jetzt, das Musikinstrumente durch unterschiedliche Schwingungen Schallwellen erzeugen, die wir hören können. Wir haben gesehen, dass man am Schwingungsbild zwischen Tönen, Klängen und Geräuschen unterscheiden kann.

Du kennst die Kenngrößen Amplitude und Frequenz, die die Lautstärke und die Höhe eines Tones beschreiben. Und mit Hilfe der Frequenzverhältnisse kannst du Intervalle und Tonleitern festlegen und so genau berechnen, welche Frequenz welcher Ton hat.

Mit diesen Anregungen wünsche ich dir viel Spaß in der Welt der Musik und Physik. Es gibt noch viel zu entdecken! Bis zum nächsten Mal!

29 Kommentare

29 Kommentare
  1. Hat mir sehr geholfen, Danke.

    Von Gennaro, vor 9 Tagen
  2. Gut

    Von NAYEON, vor 4 Monaten
  3. gut erklärt

    Von Mthangav, vor 8 Monaten
  4. Hallo

    Von Marxfj, vor 10 Monaten
  5. hat mir geholfen

    Von Monika 89, vor 12 Monaten
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Töne und Klänge in der Musik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Töne und Klänge in der Musik kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, wie die verschiedenen Musikinstrumente Schallwellen erzeugen.

    Tipps

    Welche Instrumente besitzen Saiten, Zungen oder einen großen Hohlraum, in dem sich Luftsäulen befinden?

    Lösung

    Saiteninstrumente erzeugen Töne durch das schnelle Schwingen ihrer Saiten. Gitarrensaiten werden meistens von Hand gezupft. Bei Streichinstrumenten wie Violinen, Bratschen und Kontrabässen werden die Saiten mit einem Bogen in Schwingungen versetzt. Beim Klavier oder auch beim Flügel befinden sich die Saiten unter dem Deckel und werden durch die Tasten angeschlagen.

    Eine Zunge wird bei Stimmgabeln durch Anschlagen, bei Mundharmonika und Akkordeon durch einen Luftstrom, in schnelle Schwingungen versetzt.

    Luftsäulen werden bei Blasinstrumenten in schnelle Schwingungen versetzt. In Flöten, Trompeten, Klarinetten oder Fagotten erzeugt der Musiker diese Schwingungen mithilfe eines Mundstücks durch seinen eigenen Atem. Bei Orgeln kommt eine kompliziertere Mechanik zum Einsatz.

  • Entscheide, welche Körper Töne, Klänge oder Geräusche erzeugen.

    Tipps

    Töne sind gleichmäßig und periodisch.

    Klänge werden von Instrumenten erzeugt.

    Fast alle akustischen Wahrnehmungen in unserer Umwelt sind Geräusche.

    Lösung

    Töne sind gleichmäßige und periodische Schwingungen. Sie werden nur von wenigen Objekten erzeugt. Dazu gehören Stimmgabeln oder beispielsweise Oszilloskope, an die ein Lautsprecher angeschlossen ist.

    Klänge sind die Überlagerung mehrerer Töne. Sie treten bei Musikinstrumenten auf, da neben der Grundschwingung auch immer Oberschwingungen mit angeregt werden.

    Die meisten Dinge, die wir im Alltag hören, sind Geräusche. Das Plätschern von Wasser, der Donner bei einem Gewitter oder auch der Lärm von Fahrzeugen gehören dazu.

  • Erkläre, wie der Mensch akustische Signale wahrnehmen kann.

    Tipps

    Worin unterscheiden sich die Schwingungen in den drei gezeigten Diagrammen?

    Welche Information über die Schwingung wird je nach Intensität der Wahrnehmung in den drei Bereichen der Gehörschnecke damit ermittelt?

    Welche Eigenschaft des jeweiligen Tons ist damit verknüpft?

    Lösung

    Vorderer, mittlerer und hinterer Teil der Gehörschnecke nehmen verschiedenen Frequenzen wahr.

    Schwingungen mit hohen Frequenzen reizen besonders den vorderen Teil der Gehörschnecke. Das erkennt man im Diagramm an der hohen Dichte der Schwingungen. Geringe Frequenzen reizen hingegen den hinteren Teil der Schnecke besonders stark. Die Schwingungen im Diagramm sind weniger dicht.

    Nimmt die Gehörschnecke damit ein akustisches Signal wahr, das eher ihren vorderen Bereich reizt, so handelt es sich dabei um hohe Töne. Umgekehrt bedeutet eine Reizung im hinteren Bereich, dass das Signal aus tiefen Tönen besteht. Somit kann die Gehörschnecke die Tonhöhe der eingehenden Schallwellen analysieren. Man kann sagen: Je nachdem, wo die Nervenzellen gereizt werden, ermittelt die Gehörschnecke die Tonhöhe.

    Die Lautstärke des Signals, codiert in der Amplitude der eingehenden Schallwellen, wird direkt durch die Stärke der Reizung der Nervenzellen ermittelt. Eine starke Reizung im vorderen Bereich der Schnecke bedeutet beispielsweise einen lauten hohen Ton, eine schwache Reizung im hinteren Teil einen leisen tiefen Ton.

  • Vergleiche C-Dur- und C-Moll-Dreiklang miteinander.

    Tipps

    Anfangs- und Endton der Dreiklänge sind identisch.

    Der mittlere Ton ist eine kleine Terz vom Anfangston entfernt.

    Der erste Ton besitzt eine Frequenz von 264 Hz, der zweite Tone besitzt eine Frequenz, die 20% größer ist.

    Multipliziere die gegebene Frequenz mit 1,2.

    Lösung

    Anfangs- und Endton der beiden Dreiklänge sind identisch. Die Frequenz des mittleren Tons liegt eine kleine Terz vom Anfangston entfernt, das heißt, teilt man die Frequenz des mittleren Tons durch die Frequenz des Anfangstons, so erhält man den Wert 1,2. Das bedeutet, die Frequenz des mittleren Tons beträgt 120% der Frequenz des Anfangstons, ist also 20% größer. Um den Wert für die mittlere Frequenz zu berechnen, multipliziert man demnach 264 Hz mit dem Faktor 1,2. Damit erhält man für den mittleren Ton im C-Moll-Dreiklang den Frequenzwert von rund 317 Hz.

    Die Frequenz des mittleren Tons x kann man ausführlich auch wie in der Formel gezeigt berechnen.

  • Entscheide, welche Art von akustischem Signal dargestellt ist.

    Tipps

    Welche Eigenschaften besitzt die Kurve?

    Ist sie gleichmäßig oder ungleichmäßig?

    Ist sie periodisch oder nicht periodisch?

    Lösung

    Das Mikrofon hat einen Ton, möglicherweise von einer Stimmgabel, aufgezeichnet.

    Am Oszilloskopbild erkennt man dies daran, dass die Kurve gleichmäßig und periodisch ist.

    Mit Hilfe der Daten vom Oszilloskop könnte man nun beispielsweise die Frequenz des Tons (seine Höhe) oder auch seine Amplitude (seine Lautstärke) bestimmen.

  • Erkläre, wie die beschriebenen Veränderungen am Oszilloskopbild zustande gekommen sein könnten.

    Tipps

    Ziehe alle Möglichkeiten in Betracht, warum sich das Bild ändern kann.

    Was ist in dem Bild dargestellt?

    Was verändert sich, was nicht?

    Lösung

    Die beschriebene Veränderung des Oszilloskopbildes kann verschiedenen Ursachen haben.

    Wahrscheinlich haben sich das akustische Signal der Quelle oder die Quelle selbst geändert. Das Oszilloskop registriert eine Zunahme der Frequenz und eine Abnahme der Amplitude der Schwingung. Da es sich bei der dargestellten Kurve um einen Ton handelt, bedeutet dies, dass nun ein höherer, aber leiserer Ton vom Mikrofon registriert wird. Beispielsweise wurde eine andere Stimmgabel angeschlagen oder die Quelle des Tons wurde verändert.

    Die Veränderung muss aber nicht zwangsläufig bei der Quelle des akustischen Signals liegen. Auch Änderungen an den Messbereich-Einstellungen im Oszilloskop können die beschriebene Veränderung bewirken: Die Skalen für die Zeitachse (x-Achse) und die Amplitudenachse (y-Achse) könnten gestauscht worden sein.

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