Haben Sie sich jemals gefragt, warum Ihre Stimme auf einer Aufnahme so fremd klingt, oder wie eine Opernsängerin ein Glas zum Zerspringen bringen kann? Dieses Buch enthüllt die faszinierenden Geheimnisse der Schallphysik, die uns täglich umgeben. Entdecken Sie, wie Helium unsere Stimme verzaubert, warum das Meer in einer Muschel rauscht und wie ein Überschallflugzeug einen ohrenbetäubenden Knall erzeugt. Tauchen Sie ein in die Welt der Schallwellen, Resonanzräume und Frequenzen, und verstehen Sie, warum ein klapperndes Auto bei bestimmten Geschwindigkeiten verrückt spielt und wie Echos in den Bergen entstehen. Erfahren Sie mehr über Schallspiegel, Schalllöcher und wie wir Geräusche orten, während wir die physikalischen Prinzipien hinter diesen alltäglichen Phänomenen erkunden. Dieses Buch ist eine fesselnde Reise in die Akustik, die komplexe wissenschaftliche Konzepte auf leicht verständliche Weise erklärt und mit zahlreichen Illustrationen veranschaulicht. Es ist eine unverzichtbare Lektüre für alle, die neugierig sind, die verborgenen Mechanismen unserer Klangwelt zu entschlüsseln und die physikalischen Gesetze zu verstehen, die hinter jedem Geräusch stecken, von der subtilen Melodie einer Grille bis zum donnernden Knall eines Überschallflugzeugs. Ein Glossar der wichtigsten physikalischen Begriffe bietet eine zusätzliche Hilfestellung, um die Materie vollständig zu durchdringen. Lassen Sie sich von der Wissenschaft des Schalls überraschen und erweitern Sie Ihr Wissen über die unsichtbare Welt der Schallwellen und ihre vielfältigen Auswirkungen auf unser Leben. Dieses Buch wird Ihr Verständnis für Akustik und Schallwahrnehmung nachhaltig verändern.
Inhaltsverzeichnis:
Stimmen verzaubern
Die fremde Stimme
Ein Glas zersingen
Das Meer in der Muschel
Das klappernde Auto
Das Echo
Das Luftecho
Schallspiegel
Das Schalloch
Das Orten von Geräuschen
Der Knall aus dem Flugzeug
Glossar
Quellenverzeichnis
Schlusserklärung
Vorwort
Es gibt sie und jeder kennt sie, jedoch kaum jemand ist in der Lage sie physikalisch zu erklären - Schallerscheinungen. Jeden Tag werden wir mit ihnen konfrontiert und lassen sie auf uns einwirken. Manchmal nehmen wir sie nur beiläufig wahr und manchmal sind es auch unerwünschte Lärmbelästigungen. Doch wenige stellen sich die Frage nach dem Warum. Die Antworten auf diese Fragen liegen in den physikalischen Eigenschaften der Schallausbreitung. Manche Phänomene lassen sich auf die einfachste Art und Weise erklären, andere hingegen sind derart komplex, dass man ein ganzes Buch verfassen müsste um sie zu erklären. Wir haben uns auf die interessantesten Schallerscheinungen beschränkt und haben diese in unserer Facharbeit in deren Grundzügen erklärt.
Die einzelnen Themen sind reichlich illustriert, um dem Leser einen eindeutigeren Eindruck zu verschaffen. Physikalische Grundlagen, die für die Erklärung der einzelnen Erscheinungen von großer Bedeutung sind haben wir im Glossar aufgelistet. Ein Verweis auf ein im Glossar zu findendes physikalisches Gesetz oder ähnliches sieht wie folgt aus:
*[Reflexionsgesetz] verweist auf das im Glossar zu findende Gesetz zu diesem Sachverhalt.
Die Themen sind nach deren physikalischem Hintergrund sortiert, wir erhoffen uns dadurch ein besseres Verständnis.
Viel Spaß beim Lesen wünschen Ihnen
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Stimmen verzaubern
Die menschliche Stimme ist beeinflussbar. Atmet man aus einem mit Helium gefüllten Ballon kräftig ein, so wird man danach eine hohe und sehr helle Stimme haben. Das Helium des Ballons beeinflusst die Lautbildung im Nasen-Rachen-Raum.
Die für das Sprechen unbedingt notwendigen Stimmbänder strahlen ein Gemisch von Schall- wellen ab wenn Luft durch sie hindurchströmt. Die eigentliche Formung des Lautes geschieht jedoch im Nasen-Rachen-Raum. Dieser Hohlraum wird mit Hilfe der Zunge vergrößert oder verkleinert. Dieser veränderbare Hohlraum ist je nach Größe spezieller *[Resonanzraum] für eine spezielle Schwingung. Dadurch hört sich ein Ton höher oder tiefer in seiner Stimmlage an.
Der Mensch trainiert von Kindheit an durch die räumliche Veränderung des Rachenraumes bestimmte Laute zu formen. Die entstehenden Laute sind aber auch noch vom Medium, in dem sie erzeugt werden, abhängig. Je nach Art des Mediums verändert sich die Ausbreitungsge- schwindigkeit der erzeugten Schallwelle und der Rachenraum ist dadurch Resonanzraum für eine andere Schallwelle, das heißt für eine andere *[Frequenz] (Bild 1).
Atmet man nun Helium ein, ersetzt es für kurze Zeit die Luft in den Lungen. Die veränderten Schallgeschwindigkeiten der Töne führen zu anderen Tonlagen, also anderen *[Wellenlängen], bei denen bei gleicher Rachenformung Resonanz auftritt(Bild 2).
Bei Tiefseetauchern führt dieses physikalische Phänomen zu großen Schwierigkeiten bei der Kommunikation. Man weiß, dass der in Luft enthaltene Stickstoff in großen Tauchtiefen durch eine stark erhöhte Löslichkeit eine gesundheitliche Gefahr für die Taucher darstellt. Aus diesem Grund müssen diese Tau-
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cher ein Helium-Sauerstoff-Gemisch einatmen. Der Stickstoff der Luft wird also durch Helium ersetzt. Spricht der Taucher nun durch sein Mikrofon, so klingt seine Stimme auch stark verzerrt. Diese Verzerrung kann auch bis zur Unverständlichkeit führen. Tauchtechniker haben aus diesem Grund ein Gerät entwickelt, mit dem es möglich ist, die verschobenen Frequenzen wieder auf normale Tonhöhen zu transformieren. Auch Schwerhörigen, die im Extremfall keine Frequenzen über 100 Hertz mehr wahrnehmen können, könnt dieses Gerät helfen. Es könnt die hohen Frequenzen so umwandeln, dass sie für den Betreffenden wieder hörbar sind. Leider sind diese Geräte meist noch Prototypen.
Die fremde Stimme
Sicher hat man schon einmal festgestellt, dass sich seine eigene Stimme auf einem Tonband völlig anders anhört, als man es selbst immer hört. Aber die Tonbandstimme ist jene, die auch andere Menschen wahrnehmen. Dabei klingt diese Stimme völlig anders als man es selbst gewohnt ist. Das liegt daran, dass die Schwingungen, die bei der Stimmerzeugung im eigenen Kopf entstehen, vom Hörorgan anders aufgenommen werden, als wenn sie über die Luft das Trommelfell treffen würden. Im Kopf wird der Schall teilweise auch über die Knochen geleitet. Das gilt vor allem bei niedrigen *[Frequenzen]. Der Stimmeindruck, den man selbst von sich hat, stimmt also kaum mit einer Tonbandaufnahme überein.
Ein Glas Zersingen
Jeder hat bestimmt schon Geschichten von Opernsängerinnen gehört, die Gläser durch singen zum Platzen bringen. Oft wird dies in Filmen gezeigt und es soll sogar möglich sein, Gläser zu zerpfeifen. Tatsache ist aber, dass es in Wirklichkeit keinen Menschen gibt, der diese Gabe besitzt. Diese Geschichten sind nur Hollywood-Märchen, aber was ist nun wahr?
Es ist tatsächlich möglich, Gläser durch bestimmte Töne zum Platzen zu bringen. Wenn eine Schallquelle genau den Ton erzeugt, so dass *[Resonanz] auftritt, fängt das Glas so stark an zu schwingen, das es sogar zerspringen kann. Die menschliche Stimme ist zwar in der Lage den richtigen Ton zu erzeugen, aber der Atem reicht nicht aus um einen derartig hohen Ton lange genug auszuhalten. Wenn man aber erst einmal den richtigen Ton gefunden hat, zum Beispiel mit einem Druckkammerlautsprecher, ist es nur F age der Zeit, bis das Glas die Belastung durch die Schallwellen nicht mehr aushält und schließlich zer- springt(Bild 1).
Um die *[Eigenfrequenz] eines Glases festzustellen, stellt man am besten einen Bleistift in das Glas und singt einen Ton. Bei einem bestimmten Ton fängt der Bleistift an zu vibrieren und dreht sich sogar im Kreis(Bild 2). Das ist der Beweis, dass sich die molekulare Struktur des Glases ver- ändert und damit instabil wird. Das Glas wird regelrecht „durchgeknetet“.
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Das Meer in der Muschel
Wenn man sich eine Meeresmuschel an das Ohr hält, hört man das Meer rauschen. Warum ist das so?
Natürlich ist es nicht das Meer, das man durch die Muschel wahrnimmt, sondern es sind Hintergrundgeräusche, die in unserer Umgebung erzeugt werden. Im Normalfall können wir diese Geräusche nicht wahrnehmen, da sie für unser Gehör zu leise sind und von viel lauteren Geräuschen überschattet werden. Aber genau diese Hinter- grundgeräusche versetzten die Muschel in *[Resonanz]. Dadurch wird auch die geschwungene Luftsäule im Inne- ren der Muschel zum Schwingen angeregt und die vorher so leisen Geräusche werden verstärkt. Die grünen Linien in Bild 2 kennzeichnen den Hohlraum im Inneren der Muschel, in dem die Luft durch den sie umgebenden Schneckenkörper zum Schwingen angeregt wird. Jetzt ist unser Ohr in der Lage diese Geräusche wahrzunehmen und da unsere Ohrmuschel durch die Meeresmuschel iso- liert ist, kann es sich auch besser auf diese Geräusche konzentrieren. Es entsteht der Eindruck, man höre das Meer rauschen. Dieser Effekt läßt sich auch mit anderen *[Resonanzkörpern] erzielen, zum Beispiel mit einer Konservendose. Entscheidend ist eigentlich, dass in dem Hohlkörper eine eingeschlossene Luftsäule vorhanden ist, in der die Geräusche durch Resonanz verstärkt werden können. Deshalb ist es normalerweise auch falsch von einer Muschel zu sprechen, da diese eigentlich zweischa-
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lig ist und nicht über eine Luftsäule in dieser Form verfügt. Das Meeresrauschen hört man nur in Meeresschnecken. Die in Bild 1 abgebildete Meeresschnecke stammt aus dem Wattenmeer der Nordsee.
Das klappernde Auto
Ein nicht mehr allzu neues Auto klappert gelegentlich bei der Fahrt. Wenn man dies genauer betrachtet fällt auf, dass bei bestimmten Geschwindigkeiten auch immer spezifische Geräu- sche auftreten. Diese Erscheinung ist auf die Eigenfrequenz der klappernden Teile zurückzu- führen. Fährt das Auto, so wird es ständig durch die Unebenheiten der Strasse oder Unwuch- ten in der Motormechanik in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen sind zwar sehr
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klein, nehmen aber mit erhöhter Geschwindigkeit des Fahrzeuges merklich zu. Das Auto hat also bei einer bestimmten Geschwindigkeit eine bestimmte Frequenz mit der es „durchge- schüttelt“ wird.
Die einzelnen Bestandteile eines Autos sind unterschiedlich aufgebaut. In einem Auto gibt es auf der einen Seite Teile, die nur millimetergroß sind, wie zum Beispiel kleine Schrauben oder Mikrochips , auf der anderen Seite auch große Teile mit hohem Gewicht und großer Flä- che wie zum Beispiel dem Fahrzeugrahmen ober den Karosserieblechen. Jedes einzelne dieser Teile hat eine bestimmte Eigenfrequenz, die von Größe, Form und Material des betreffenden Teiles abhängig ist. Wenn man nun annimmt, dass eine bestimmtes Autoteil genau die gleiche Eigenfrequenz wie ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 50 Kilometern je Stunde hat, so tritt Resonanz auf und das Teil fängt an besonders stark zu schwingen. Wenn das Teile nicht fest genug installiert ist, so kann es an andere Teile anschlagen und ruft somit ein periodisches klapperndes Geräusche hervor. Dieses Klappern ist spezifisch für eine Geschwindigkeit des Autos von 50 Kilometern je Stunde. Verändert sich die Geschwindigkeit des Autos, so ändert sich auch die Eigenfrequenz des Autos und das genannte Teil schwingt nicht mehr so stark, es hört auf zu klappern. Jedoch kann es andere Teile mit anderen Eigenfrequenzen geben, bei denen die Resonanz auch nur bei einer anderen Geschwindigkeit auftritt. Somit kann man in einem Auto bei verschiedenen Geschwindigkeiten auch verschieden Klappergeräusche wahr- nehmen.
Diesen Sachverhalt kann man anhand eines Modellversuchs beweisen. Im Bild 1 ist ein Mo- dellauto abgebildet, dass mit zwei verschieden langen Metallstreifen jeweils an Vorder- und Hinterachse ausgerüstet ist. Es wird durch einen Elektromotor angetrie- ben, der bewusst mit einer Unwuchtscheibe gekoppelt ist. Als Beo- bachtung kann man feststellen, dass bei bestimmten Drehzahlen die Metallstreifen an- fangen zu vibrieren.
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Bild 1
Bei höherer Drehzahl schwingt der vordere Metallstreifen, weil der längere hintere Streifen für diese Frequenz zu träge ist. Ist die Drehzahl niedriger, hört der vordere Streifen auf zu schwingen und der hintere Streifen gerät in Re- sonanz.
Auch der TÜV nutzt solche Schwinger auf dem Prüfstand um das Schwingverhalten bestimmter Teile zu überprüfen.
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Es gibt am Auto aber auch Teile, die nicht nur zeitweise Schwingungen hervorrufen. Zum Bei- spiel der Motorblock oder der Autoreifen verur- sachen relativ gleichmäßigen Lärm. Da dieser Schall von Schwingungen der Teile herrührt, versuchen Techniker die Unwuchten in diesen Teilen zu erkennen und zu kompensieren. Dazu nutzen sie einfarbiges Laserlicht. Es werden zwei Aufnahmen von dem zu testenden Objekt gemacht. Eine Erste wird vom ruhenden Ob- jekt gemacht. Eine Zweite Aufnahme wird dann vom bewegten Objekt, zum Beispiel von einem Reifen auf dem Prüfstand, gemacht. Beide Aufnahmen werden überlagert und durch die Abweichungen entsteht ein Interferenzbild. Das Laserlicht wird durch die Ausbuchtungen des schwingenden Reifens so reflektiert, das es sich mit den Laserwellen der ersten Aufnahme teilweise auslöscht. In Bild 4 stellen die schwarzen Bereiche die Auslöschungen dar. Die In- terferenzlinien zeigen den Technikern so, wo die lärmverursachenden Schwingungen zu fin- den sind.
Das Echo
Ein jeder kennt den Papagei aus den Bergen, der ständig auf sich aufmerksam macht sobald man einen Ton von sich gibt. Doch wie kommt es zu dieser Erscheinung, ist es Zufall oder kann man gezielt ein Echo hervorrufen?
Das Wort Echo ist aus dem griech-lat. entstanden. Es ist eine durch Reflexion an einem Hindernis zum Ursprungsort zurückkehrende Welle. Der Begriff wird meist speziell auf die Schallreflexion bezogen, bei der im Falle eines Echos der reflektierte Schall zeitlich verzögert zum Originalschall ist und somit auch getrennt von ihm wahrgenommen werden kann, folglich vernimmt man an der Schallquelle zwei Töne. Den ersten unmittelbar nach dem Aussenden, den zweiten nach der Reflexion des Schalls. Für die Entstehung eines Echos müssen somit grundlegende Voraussetzungen gegeben sein.
Betrachten wir nun zwei Fälle hierzu:
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Bild 1
Die Schallquelle (C), der Wanderer, steht am Fuße des Berges (Bild 1).Das Hindernis (AB), welches drei beliebige Schall- strahlen reflektiert, ist höher gelegen (unter dem Modell „Schallstrahl“ versteht man die jeweilige Ausbreitungsrichtung der Schallwellen). Sendet die Schallquelle nun Schallwellen aus, so verlaufen die einzelnen Schallstrahlen in Richtung Ca, Cb und Cc. Es ist deutlich zu erkennen, dass sie sich nach der Reflexion am Hindernis (AB) in die Richtungen aa, bb und cc ausbreiten . Die Reflexion erfolgt nach dem *[Reflexionsgesetz]. Infolgedessen erreichen sie ihren Ur- sprungsort, das Ohr des Wanderers nicht. Somit kann der Wanderer die reflektierten Strahlen nicht wahrnehmen, d.h. es entsteht kein Echo. Ändert sich jedoch die Konstellation der Schallquelle und des Hin- dernisses zueinander, so ist das Zustande-
Bild 2
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kommen eines Echos möglich. In Bild 2 befindet sich die Schallquelle (C) höher als das Hin- dernis (AB). Zwischen ihnen liegt eine Mulde. Zwei ausgewählte Schallstrahlen werden nun während ihrer Ausbreitung ein- oder mehrfach am Boden reflektiert. Die Mulde wirkt dabei als Konkavspiegel und macht es möglich, dass die Strahlen in solch einem Winkel auf das Hindernis (AB) treffen, dass sie das Ohr des Wanderers nach der Reflexion erreichen und die- ser somit den von ihm ausgesendeten Ton ein zweites Mal vernimmt. Es ist ein deutliches Echo entstanden.
Ist die Mulde jedoch zu den Punkten BC gewölbt, so arbeitet sie als Konvexspiegel und er- schwert das Zustandekommen des Echos. Des weiteren muss der Abstand zwischen 340 m s der Schallquelle und dem Hindernis beachtet werden. Da die Schallgeschwindigkeit ca. beträgt muss eine große Entfernung von der Schallquelle zum Hindernis bestehen, damit der reflektierte Schall getrennt vom Originalschall vernommen werden kann. Andernfalls würde man einen Nachhall hören, d.h. es würde ein sehr kleiner Zeitunterschied zwischen dem Emp- fang des Originalschalls und des reflektierten Schalls bestehen. Somit überlappen sich beide Töne und sie sind nicht, wie beim Echo getrennt wahrzunehmen. Hierzu ein Beispiel:
Befindet man sich in einem Zimmer mittlerer Größe, so entsteht bekanntlich kein Echo. Die Ursache dafür ist der zu geringe Abstand zwischen Schallquelle und Hindernis, demzufolge werden Originalschall und reflektierter Schall nahezu gleichzeitig erhört. Ändert sich aller- dings die Größe des Raumes, so kommt es allmählich zu einem Nachhall, z.B. in einer Sport- halle. Steigt der Abstand zwischen Schallquelle und Hindernis weiter an, wie es in einer Be- triebshalle der Fall wäre, dann können die Töne voneinander getrennt wahrgenommen wer- den, folglich kommt es zu einem Echo. Die Trennung dieser Töne ist jedoch am deutlichsten, wenn es sich hierbei um kurze und abgehackte Geräusche wie z.B. ein Klatschen handelt. Stößt man einen längeren Ton aus, so überschneiden sich, je nach Distanz zum Hindernis, der Originalschall mit dem reflektierten Schall.
Das Luftecho
Der Schall kann nicht nur durch feste Körper zurückgeworfen werden, sondern auch durch Gebilde wie z.B. Wolken. Die Ursache darin liegt, wie bei der Brechung des Lichtes, in der unterschiedlichen Dichte der Medien, die der Schall bei seiner Ausbreitung durchläuft. Die Schallgeschwindigkeit nimmt mit der Dichte der Medien zu, d.h. der Schall breitet sich beispielsweise in der Luft langsamer aus als im Wasser.
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Somit kann es ähnlich wie beim Licht zur *[Totalreflexion] kommen. Die Totalreflexion des Lichtes erfolgt ebenfalls aufgrund unterschiedlicher Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Allerdings nimmt die Lichtgeschwindigkeit mit zunehmender Dichte der Medien ab.
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Somit muss man die Definition der Totalreflexion des Schalls anders formulieren:
Die Totalreflexion tritt nur dann ein, wenn Schall aus einem dünneren Medium kommend auf die Grenzfläche zu einem dichteren Medium trifft und der Einfallswinkel der Schallstrahlen größer als der „Grenzwinkel“ ist.
Im Falle eines Echos an einer Wolke durchlauft der Schall zunächst die Luft der Atmosphäre bis er auf die Grenzschicht zu einer Wolke trifft, dessen Dichte höher ist als die der Luft und sich der Schall somit schneller darin ausbreiten kann. Wenn nun der Einfallswinkel eine bestimmte Größe überschreitet (abhängig von Schallgeschwindigkeit in der Wolke), dann kommt es zur Totalreflexion. Man bedenke jedoch, dass die ausgesandten Schallstrahlen nach der Reflexion ihren Ursprungsort erreichen müssen, um als Echo wahrgenommen zu werden. Dies kann beispielsweise durch eine zweite Reflexion der Schallstrahlen an einer Felswand erfolgen. Es ist jedoch sehr selten der Fall, deshalb werden vermutlich auch sehr wenige Menschen ein solches Erlebnis in ihrem Leben gehabt haben.
Schallspiegel
Ein Bauwerk, ein Berg, eine hohe Mauer - generell jedes Hindernis, das den Schall als Echo zurückwirft, ist nichts weiter als ein Schallspiegel. Er reflektiert den Schall genauso wie der Spiegel im Haushalt, das Licht zurückwirft. Nun existieren jedoch auch weitere Formen von Spiegeln. Es gibt zwei weitere Arten: Konkavspiegel und Konvexspiegel.
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Die Unterscheidung erfolgt nach der dem Schall zugewandten Seite. Ist die gewölbte Seite den Schallstrahlen zugeneigt, so ist es ein Konvexspiegel (Wölbspiegel), ist jedoch die hohle Seite den Schallstrahlen ausgesetzt, so liegt ein Konkavspiegel (Hohlspiegel) vor. Nun zu zwei verblüffenden Experimenten mit Hohlspiegeln:
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Bild 1
Für den ersten Versuch werden zwei Suppenteller benötigt. Ein Teller steht auf dem Tisch., einige Zentimeter über ihm hält man eine Taschenuhr. Den zweiten Teller platziert man 2 neben dem Kopf, in die Nähe des Ohres, wie es in Bild 1 dargestellt ist. Hat man nun nach ei- nigen Proben die richtige Entfernung von der Uhr zum ersten Teller und dem Ohr zum zweiten Suppenteller herausgefunden, so kann
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man das Ticken der Uhr sehr deutlich aus dem Teller, der sich neben dem Ohr befindet, ver- nehmen. Das erstaunliche dabei ist, dass man bei geschlossenen Augen denkt, man hielte die Uhr, statt den Teller am Ohr. Die unglaublich gute Übertragung des Geräusches auf eine ver- hältnismäßig große Entfernung ist durch die präzise Platzierung der Uhr und des zweiten Tel- lers zu erklären. Beide Suppenteller wirken nämlich wie zwei Hohlspiegel. Für die Erklärung des Experiments habe ich ein Modell erstellt, welches die in Abb.1 unsichtbaren Schallstrah- len zeigt. Die Lage der Hohlspiegel ist in Abb.1 anders als in dem Modell, dies beeinflusst jedoch das Prinzip nicht. Die Uhr wird im Modell als der Brennpunkt 1 dargestellt. Von ihm gehen Schallstrahlen (das Ticken) aus und treffen auf den Hohlspiegel 1 (Teller 1). Dieser reflektiert die Strahlen als Parallelstrahlen, welche dann auf den gegenüberliegenden Hohl- spiegel 2 (Teller 2) treffen und sich in dessen Brennpunkt 2 (Ohr) konzentrieren, d.h. sie ver- stärken sich, was auch der Grund für den geringen Intensitätsverlust des Tickens ist.
Das zweite Experiment ist ebenfalls eine Anwendung dieses Sachverhalts. Ersetzt man die an Brennpunkt 1 befindliche Uhr durch einen Lautsprecher und stellt man eine Kerze an den Brennpunkt des zweiten Hohlspiegels, anstatt das Ohr wie beim vorigen Versuch daran zu halten, so ist folgendes zu beobachten. Strahlt der Lautsprecher Schallwellen aus, so beginnt die Kerze plötzlich heftig zu flackern - trotz einer hohen Entfernung und ohne Bündelung der Schallstrahlen. Auch hier geschieht das gleiche wie bei dem Versuch zuvor, nur dass man eine weitere physikalische Eigenschaft des Schalls nutzt - die *[Schallausbreitung]. Die Schallwellen konzentrieren sich im Brennpunkt des zweiten Hohlspiegels und der Druck der Schallwellen bringt die Kerzenflamme nun zum Flackern. Hält man beispielsweise eine Holz- platte vor die Kerze, so brennt sie ruhig weiter - ein Beweis dafür, dass die Schallwellen das Flackern der Kerze verursachen.
Das Wissen um das Verhalten des Schalls nutzt man schon seit vielen Jahren, so werden heute noch Theatersäle nach dieser Methode erbaut. Somit können auch die Zuschauer in den hintersten Reihen die Schauspieler verstehen.
Das Schallloch
Vielleicht hat man schon einmal beobachten können was passiert, wenn man durch einen mit Helium gefüllten Luftballon hindurch etwas flüstert. Auf der anderen Seite dieses Ballons hört man nämlich kaum etwas. Wo bloß sind die Schallwellen geblieben?. Dieses Phänomen ist physikalisch sehr einfach zu erklären.
Bekannt ist ja, dass man Lichtstrahlen auf ihrem Weg gezielt beeinflussen kann. Da- bei übernehmen Linsen die Aufgabe das Licht zu bündeln oder zu zerstreuen. Diese *[Brechung] beruht auf der Eigenschaft des Lichts, dass es immer den schnellsten Weg nimmt und dabei an der Grenzfläche zweier optisch unterschiedlich dichter Medien gebrochen wird. Schall ist auf dieselbe Art beeinfluss- bar. Schallwellen werden beim Übergang zwischen zwei unterschiedlich dichten Medien ab- gelenkt und nach bestimmten Gesetzen gebrochen. In dem Beispiel des mit Helium gefüllten Ballons würde der Schall vom dichteren Medium, der Luft, zum dünneren Medium, dem He- lium laufen. Daraus folgt eine Brechung des Schalls vom Lot weg. Das Helium wirkt also wie eine akustische Linse und die Schallwellen, die von der Schallquelle ausgehen, werden in alle Richtungen gestreut. Die Konzentration der einzelnen Schallwellen nimmt ab und man hört in dem Bereich hinter dem Ballon kaum etwas. Ein umgekehrtes Experiment könnte die Lin- senwirkung noch besser verdeutlichen. Würde man den Ballon mit einem Gas füllen, das schwerer als die Luft ist, zum Beispiel mit Kohlendioxid, würde man hinter dem Ballon einen kleinen Bereich vorfinden in dem sich die Schallwellen konzentrieren. An dieser Stelle ist das Gesprochene sehr deutlich zu verstehen, da sich hier der Brennpunkt der akustischen Linse befindet und sich die Wellen in diesem Punkt bündeln. Man könnte auch eine Kerze in diesen Bereich hineinbringen und sie würde, wenn man auf der anderen Seite etwas sagt, anfangen zu flackern und womöglich erlöschen(Bild 1).
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Das Orten von Geräuschen
Viele Menschen werden schon die Erfahrung gemacht haben, dass es völlig sinnlos ist nach einer zirpenden Grille, die irgendwo im Gras versteckt sitzt, zu suchen. Das liegt daran, dass das menschliche Gehör die Richtung einer Schallquelle oft falsch bestimmt. Unsere Ohren können zwar sehr gut unterscheiden, ob beispielsweise ein Schuss rechts oder links von uns ertönt, jedoch sind wir absolut unfähig (bei geschlossenen Augen) die Richtung einer Schall- quelle anzugeben, wenn sie sich genau in der Symmetrieebene unseres Kopfes (Bild 1) befin-
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det. Wird ein Schuss vor einer Person ausgeführt, dann wird er oft als von hinten kommend eingeschätzt. In solch einem Fall kann die Person nur Aussagen über Entfernung der Schallquelle, anhand der Lautstärke, machen. Die Ursache für diesen Sachverhalt werde ich an einem aussagekräftigen Beispiel erklären:
Man lässt jemanden mit verbundenen Augen inmitten eines Raumes Platz nehmen und bittet ihn den Kopf ruhig zu halten. Wenn man nun genau vor oder hinter der Person, d.h. in seiner Symmetrieebene ein Geräusch ausstößt, so ist die Person nicht in der Lage eine zuverlässige Aussage über die Position der Schallquelle zu machen. Verlässt man nun die Symmetrieebe- ne, können Aussagen gemacht werden. Das ist einfach zu erklären: zuvor traf der Schall in beiden Ohren mit gleicher Intensität ein, somit besteht kein Unterschied zwischen einem von vorne oder von hinten herannähendem Geräusch. Wenn der Ton nicht von der Symmetrieebe- ne ausgesendet wird, dann trifft er in einem Ohr etwas früher und lauter ein als in dem ande- ren, folglich kann die Person die Quelle des Geräusches orten. Die Ortung einer Grille ist aus diesem Grund kaum möglich. Nehmen wir an das Zirpen erklingt rechts von der Person, diese wendet den Kopf nun dorthin, kann jedoch nichts entdecken. Plötzlich kommt das Geräusch von hinten, also ursprünglich links. Bewegt die Person ihren Kopf nun in diese Richtung, kann sie dort wieder nichts finden. Je schneller sie den Kopf wendet, desto schneller scheint die Grille ihren Standort zu wechseln. In der Realität sitzt die Grille allerdings dort wo sie am Anfang gesessen hat, denn als die Person ihren Kopf zur Schallquelle wendete, befand sie sich genau auf der Symmetrieebene und da kein Sichtkontakt bestand, hat die Person den Ein- druck das Geräusch käme von hinten.
Der Knall aus dem Flugzeug
Ein Überschallflugzeug fliegt über das Land. Einige Zeit später hört man einen lauten Knall, der aus dem Nichts zu kommen scheint. Was ist das für ein Knall?
Hierbei handelt es sich um den sogenannten Überschallknall. Es gibt einige Flugzeuge, die schneller als der Schall, also schneller als 1240 km/h fliegen können. Wenn diese Flugzeuge relativ dicht über der Erd- oberfläche fliegen, kann man als Beobachter diesen Knall hören. Um zu verstehen woher dieser Knall kommt, muss man wissen welche Phänomene bei der Fortbewegung im Überschallbereich auftreten.
Man weiss, dass eine Schallquelle Schallwellen aussendet. Diese brei- ten sich kugelförmig um die Quelle aus(Bild 1). Befindet man sich als Beobachter im Bereich dieser Wellen, hört man den von der Quelle ausgesendeten Ton. Bewegt sich die Schallquelle fort, so werden die Wellenfronten am Bug der Schallquelle enger zusammen geschoben und hinter der Quelle auseinandergezogen(Bild 2). Ist die
Geschwindigkeit der Schallquelle größer als die Ausbrei- tungsgeschwindigkeit der Schallwellen selbst, so werden diese von der Quelle eingeholt und überlagern sich(Bild 3).
Das macht sich mit einem starken Anstieg des Luft- drucks um den
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Bild 3
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Bug der Schallquelle bemerkbar. Durch die Überla- gerung der Schallwellen entsteht ein Kegel, der sogenannte Mach-Kegel. Außerhalb dieses Kegels kann man zum Beispiel ein vorüberfliegendes
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Flugzeug nicht hören, da dessen Schallwellen nicht schnell genug sind, um sich dort auszubreiten. Der Knall entsteht genau an der Stelle, wo der Mach-Kegel beginnt. Den plötzlichen Anstieg der Lautstärke nehmen wir nur als Knall wahr. Praktisch bedeutet das, dass zu dem Zeitpunkt, an dem sich das Überschallflugzeug über dem Beobachter befindet(Position 1), nichts zu hören ist. Erst wenn es schon etwas entfernt ist, hören wir die Triebwerke des Flugzeugs in Form des Knalls(Position 2). Daher dürfen solche Flugzeuge meist auch nur über fast unbesiedelten Gebieten fliegen.
Glossar
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Quellenverzeichnis
1. Hermann Raaf, Harald Sowada Physik macht Spass Verlag Herder Freiburg im Breisgau 1990 S.61 ff.
2. Chris Oxlade, Corinne Stockley, Jane Wertheim PHYSIK - Alles Wissen auf einen Blick Tessloff Verlag, Hamburg 1988 S.40 ff.
3. J. Perelmann Unterhaltsame Physik Pierre Hain, Christian Hochmuth 11.1 10.01.2000 Verlag MIR Moskau und VEB Fachbuchverlag Leipzig 1989 S.460 ff.
4. Joachim Bublath Das Knoff-Hoff Buch G+G Urban-Verlag GmbH, München 1987 S. 94 ff./ S. 96 ff./ S. 122 ff.
5. Joachim Bublath 100x Knoff-Hoff Wilhelm Heyne Verlag GmbH & Co.KG, München 1995 S. 196 ff./ S.203 ff./ S. 227 ff.
6. Cheri C. Madison, K.C. DenDooven GRAND CANYON in pictures - The Continuing Story KC publications, INC., U.S.A 1989 S. 20
7. Prof. Dr. Wilfried Kuhn Lehrbuch der Physik Band2 Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig 1989 S. 134 ff.
8. Meyers Lexikonredaktion Das Neue Duden-Lexikon Band 1-10 Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG, Mannheim 1989
9. Microsoft Nachschlagewerk LexiRom Version 2.0
10. Maurice und Robert Burton Das Königreich der Tiere Südwest Verlag GmbH & Co. KG München 1977 S. 87
Schlusserklärung
Hinter allen Schallerscheinungen stehen physikalische Gesetze. Um die Verschieden Phäno- mene in Verbindung mit Schall zu verstehen, muss man diese Gesetze kennen und miteinan- der verknüpfen. In der Wissenschaft ist dieses Wissen notwendig, um Probleme, die im Zu- sammenhang mit unerwünschten Nebeneffekten bei Schallquellen auftreten, zu lösen oder zu umgehen. Besonders bei der Materialforschung sollte man diese Probleme kennen und die Stoffe darauf abstimmen.
Im Allgemeinen ist es aufschlussreich die Hintergründe von tagtäglichen Schallerscheinungen zu wissen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Zweck dieses Dokuments?
Dieses Dokument ist eine Facharbeit, die sich mit der physikalischen Erklärung von Schallerscheinungen beschäftigt. Es beleuchtet alltägliche Phänomene im Zusammenhang mit Schall und versucht, diese auf leicht verständliche Weise zu erklären.
Welche Themen werden in der Facharbeit behandelt?
Die Facharbeit behandelt eine Vielzahl von Themen, darunter: Stimmen verzaubern (Veränderung der Stimme durch Helium), Die fremde Stimme (Unterschied zwischen eigener und gehörter Stimme), Ein Glas zersingen (Resonanz und Zerstörung von Gläsern durch Schall), Das Meer in der Muschel (Resonanz in Muscheln), Das klappernde Auto (Eigenfrequenz von Autoteilen), Das Echo (Entstehung und Bedingungen für Echos), Das Luftecho (Reflexion von Schall an Wolken), Schallspiegel (Konkav- und Konvexspiegel), Das Schalloch (Brechung von Schallwellen), Das Orten von Geräuschen (Räumliche Wahrnehmung von Schallquellen), Der Knall aus dem Flugzeug (Überschallknall).
Was bewirkt Helium beim Sprechen?
Helium verändert die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in den Atemwegen, wodurch die Resonanzfrequenzen des Nasen-Rachen-Raums verändert werden. Dies führt zu einer höheren und helleren Stimme.
Warum klingt die eigene Stimme auf einer Aufnahme anders?
Die Schwingungen der eigenen Stimme werden im Kopf anders wahrgenommen, da sie teilweise über die Knochen geleitet werden, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Die Tonbandstimme hingegen wird über die Luft übertragen und entspricht dem, was andere hören.
Ist es wirklich möglich, ein Glas durch Singen zu zersingen?
Ja, es ist möglich, ein Glas durch Singen zu zersingen, aber es ist sehr schwierig. Wenn eine Schallquelle genau den Ton erzeugt, bei dem Resonanz auftritt, kann das Glas so stark zu schwingen beginnen, dass es zerspringt. Die menschliche Stimme ist zwar in der Lage, den richtigen Ton zu erzeugen, aber es ist schwierig, ihn lange genug aufrechtzuerhalten.
Warum hört man das Meer rauschen, wenn man sich eine Muschel ans Ohr hält?
Man hört nicht wirklich das Meer. Die Muschel wirkt als Resonanzkörper und verstärkt die Hintergrundgeräusche der Umgebung, die normalerweise zu leise sind, um wahrgenommen zu werden. Diese verstärkten Geräusche werden dann als Meeresrauschen interpretiert.
Warum klappern Autos bei bestimmten Geschwindigkeiten?
Jedes Autoteil hat eine bestimmte Eigenfrequenz. Bei bestimmten Geschwindigkeiten des Autos (und damit verbundenen Schwingungen) kann es vorkommen, dass ein Teil in Resonanz gerät und anfängt, stark zu schwingen. Wenn dieses Teil nicht fest genug befestigt ist, kann es gegen andere Teile schlagen und ein klapperndes Geräusch verursachen.
Wie entsteht ein Echo?
Ein Echo entsteht durch die Reflexion von Schallwellen an einem Hindernis. Der reflektierte Schall muss zeitlich verzögert zum Ursprungsort zurückkehren, damit er getrennt vom Originalschall wahrgenommen werden kann.
Kann Schall auch an Wolken reflektiert werden?
Ja, Schall kann auch an Wolken reflektiert werden. Dies liegt an der unterschiedlichen Dichte von Luft und Wolken, wodurch es zur Totalreflexion von Schallwellen kommen kann.
Was sind Schallspiegel?
Schallspiegel sind Hindernisse, die Schallwellen reflektieren. Es gibt verschiedene Arten von Schallspiegeln, darunter Konkavspiegel (Hohlspiegel) und Konvexspiegel (Wölbspiegel), die Schallwellen auf unterschiedliche Weise beeinflussen können.
Was ist ein Schalloch und wie funktioniert es?
Ein Schalloch ist ein Bereich, in dem Schallwellen durch die Brechung an einem Medium mit unterschiedlicher Dichte gestreut oder gebündelt werden können. Ein Beispiel ist ein mit Helium gefüllter Ballon, der Schallwellen streut.
Warum ist es schwierig, die Richtung einer zirpenden Grille zu bestimmen?
Das menschliche Gehör hat Schwierigkeiten, die Richtung einer Schallquelle zu bestimmen, wenn sich diese genau in der Symmetrieebene des Kopfes befindet. Da die Schallquelle von beiden Ohren mit der gleichen Intensität wahrgenommen wird, kann die Person nicht zuverlässig feststellen, ob das Geräusch von vorne oder von hinten kommt.
Was ist der Überschallknall?
Der Überschallknall entsteht, wenn ein Flugzeug schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt. Die Schallwellen werden vom Flugzeug eingeholt und überlagern sich, wodurch ein Kegel (der Mach-Kegel) entsteht. An der Stelle, wo der Mach-Kegel beginnt, kommt es zu einem plötzlichen Anstieg des Luftdrucks, den wir als Knall wahrnehmen.
Was bedeuten die mit eckigen Klammern und Sternchen markierten Begriffe wie *[Reflexionsgesetz]?
Diese Markierung verweist auf einen Eintrag im Glossar der Facharbeit, in dem der betreffende physikalische Begriff oder das Gesetz näher erläutert wird.
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- Pierre Hain (Autor), Christian Hochmuth (Autor), 2000, Phänomenale Erscheinungen durch den Schall, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/96910
