Wie entsteht Klang? Schwingungen, Resonanz & Schallphysik

Wie entsteht Klang? Durch Schwingungen und Resonanz

Wie ist der Sound? : Durch Schwingungen & Resonanz

Vibrationen

Vibrationen: Ein Ton entsteht durch die Schwingung eines Mediums oder eines Objekts. Geräusche treten auf, weil stets Schwingungen erzeugt werden.

Resonanz und natürliche Frequenzen

Resonanz: Natürliche Frequenzen sind die charakteristischen Frequenzen eines schwingenden Systems. Eine Resonanz tritt auf, wenn das System periodisch mit einer Frequenz angeregt wird, die mit einer seiner natürlichen Frequenzen übereinstimmt. Dadurch nimmt die Energie der Schwingung zu.

Vibratorische Bewegung

Vibratorische Bewegung: Die Bewegung eines Körpers, der nacheinander symmetrische Positionen um eine Gleichgewichtslage einnimmt und so schwingt.

Grundbegriffe der Schwingung

a) Vibration: Der Weg eines bewegten Körpers; die Schwingung führt ihn entlang eines Weges, bis er wieder dieselbe Stelle mit derselben Bewegungsrichtung erreicht.

b) Periode (Zeitraum): Die Zeitdauer, die für eine vollständige Schwingung benötigt wird; gemessen in Sekunden.

c) Frequenz: Die Anzahl der Schwingungen, die ein Körper in 1 Sekunde ausführt. Die Einheit der Frequenz ist Hertz (Hz), das einer Schwingung pro Sekunde entspricht.

d) Auslenkung (Dehnung): Der Abstand zwischen dem schwingenden Körper und der Gleichgewichtslage; gemessen z. B. in Metern oder Inches.

e) Amplitude (Größe): Die maximale Auslenkung eines schwingenden Körpers von der Gleichgewichtslage; eine andere Definition der Auslenkung.

Schall: Wellenmechanik

Schall: Schall besteht aus Wellen, die sich in einem Ausbreitungsmedium (fest, flüssig oder gasförmig) fortpflanzen. Die Teilchen des Mediums schwingen und übertragen dabei die Wellen in Richtung der Ausbreitung.

Hörbereiche von Mensch und Tieren

Für Menschen hörbar: etwa 20 Hz bis 20.000 Hz.

Tiere: Hunde: bis zu etwa 30.000 Hz.

Fledermäuse: Bis zu ca. 100.000 Zyklen (Hz) pro Sekunde.

Ausbreitung des Schalls

Wie gelangt Klang zu unseren Ohren? Der Klang erreicht unsere Ohren, weil die Luftteilchen vibrieren und ihre Schwingungen weitergeben. Diese fortlaufenden Druckänderungen werden von unserem Gehör wahrgenommen.

Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit beträgt in Luft etwa 331,3 m/s (bei 0 °C) und in Wasser etwa 1.450 m/s. Schall breitet sich schneller in Wasser aus, weil die Teilchen dichter beieinander liegen und Schwingungen schneller übertragen werden.

Wellenarten und Eigenschaften

Es gibt verschiedene Arten von Wellen, unter anderem Transversal- und Longitudinalwellen. Wichtige Eigenschaften sind:

• Wellenlänge: Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden gleichen Punkten einer Welle (z. B. Scheitel zu Scheitel). Bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit gilt: je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge.
• Amplitude: Die Höhe der Welle; sie bestimmt die Lautstärke bzw. Schallintensität.

Reiner Ton

Pure Sounds: Reine Töne bestehen aus einer einzigen, konstanten Frequenz und zugehöriger Wellenlänge über die Zeit. Beispiele: eine Pfeife (whistle), ein Sinuston.

Resonanzräume und Klangerzeugung

Generatoren von Klang: Resonanz ist ein Phänomen, bei dem Wellen in einem Volumen bestimmter Größe verstärkt werden. So entstehen z. B. stehende Wellen in Resonanzkörpern.

Qualitäten des Klangs

• Schallintensität (Amplitude): stark & schwach
• Tonhöhe (Frequenz): Bass & Höhen
• Timbre (Klangfarbe): Unterscheidet Instrumente wie Flöte, Violine, Cello; bestimmt durch die Wellenform, die jeder Körper erzeugt.

Tonhöhe (abhängig von der Frequenz): Töne sind tief (Bässe) oder hoch (Höhen). Die Tonhöhe hängt mit der Frequenz zusammen: Je höher die Frequenz, desto höher (klingender/treffender) der Ton; bei niedriger Frequenz entsteht ein tieferer Ton.