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.