Ton, Klang, Geräusch

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:

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:

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: