B – Entstehung von Schall

Die in Abschnitt A betrachteten Schallbeispiele ordnen wir unterschiedlichen Kategorien zu – aber sie besitzen auch alle eine Gemeinsamkeit in Bezug auf ihre Ursache: Sie haben alle etwas mit einer Bewegung zu tun.

Wir betrachten:
        1. Bewegung als Ursache von Schall
        2. Wie wir diese Bewegung sichtbar machen können
        3. Wovon die Bewegung (Frequenz) einer schwingenden Saite abhängt

B1. Bewegung als Ursache von Schall

Die Ursache von Schall ist eine Bewegung, die sich als Störung des Gleichgewichtszustandes im Raum ausbreitet (Abschnitt C). Wenn sie bei unserem Ohr ankommt, versetzt diese übertragene Störung kleine Härchen im Ohr in Bewegung, die als Rezeptoren diese Information an das Gehirn weiterleiten (Abschnitt D). Wir hören einen Schall.

Betrachten wir die Schallbeispiele in Bezug auf ihre Ursache genauer: Die Stimmgabel wird angeschlagen und dadurch zum Schwingen angeregt, die Gitarrensaite wird gezupft und beginnt daher zu schwingen. Das Papier wird zusammengedrückt und beim Klatschen werden die Hände ruckartig zusammengeführt, so dass sich die Luft zwischen ihnen sehr schnell bewegt.

B.2 Bewegung sichtbar machen

Da diese ursächlichen Bewegungen von Schall meist sehr schnell und auch klein sind (vgl. beispielsweise die Schwingung der a-Stimmgabel von 440 kleinen Schwingungen pro Sekunde), können wir sie meist nicht direkt wahrnehmen. Wir haben bereits die Möglichkeit betrachtet, die Bewegungen indirekt über ein Oszilloskop darzustellen und auch einen Trick angewandt, um die Schwingung einer eher langsamen 128Hz-Stimmgabel mit Hilfe einer verrußten Platte sichtbar zu machen. Zwei weitere Möglichkeiten sind in den folgenden Videos dargestellt:

      1. Die Verwendung eines trägeren Mediums als Luft: Wenn wir eine Stimmgabel anschwingen und ihre Zinken in ein Glas mit Wasser eintauchen, lässt sich gut erkennen, wie die hin- und erschwingende Zinken das Wasser wellenförmig auseinandertreiben. Dies funktioniert vor allem bei tieferen Frequenzen und größeren Stimmgabeln sehr gut. Auch mit einer a-Stimmgabel geht dies noch sehr anschaulich, wenn sie eine ausreichende Größe hat.

      1. Mit Handys und Tablets lassen sich in der Regel Slowmotion-Aufnahmen in genügend großer zeitlicher Auflösung machen, um das Schwingen einer Stimmgabel oder Instrumentensaite sichtbar zu machen.

B.3 Bewegung und Tonhöhe

Eine tiefe / niedrige Frequenz wird von unserem Gehör als tiefer Ton wahrgenommen. Bei einer solchen niedrigen Frequenz liegt logischerweise eine langsame Bewegung zugrunde.

Betrachten wir am Beispiel einer Gitarre wie dies in Instrumenten umgesetzt wird.

Länge der Saite: Saiteninstrumente variieren die (Grund-)Tonhöhe einer Saite auf zwei verschiedene Arten. Zum einen verändert sich die Tonhöhe der angezupften oder -geschlagenen Saite, wenn sie verkürzt wird. Dafür wird die Saite auf dem Griffbrett der Gitarre in einem bestimmten Bund mit dem Finger abgegriffen und so ihre Länge verkürzt (siehe Abbildung B.2, zum genauen Zusammenhang zwischen Länge einer Saite, Tonhöhe und Obertönen siehe Abschnitt E)

Den Zusammenhang zwischen Größe und Ton kann man auch mit einem Blick auf die Instrumentenfamilien nachvollziehen. Beispielsweise nehmen die Größen der Instrumente und die Tiefe ihrer Grundtöne in dieser Reihenfolge zu:

      • Geige, Bratsche, Cello, Kontrabass
      • Piccoloflöte, Blockflöte, Altflöte
      • Orgelpfeifen
      • Saiten von einem Klavier oder Flügel (So kommt auch die geschwungene Form des Flügels zustande.)

Eine einfache Veranschaulichung mit Alltagsgegenständen ist das schwingende Lineal. Mit der einen Hand auf eine Tischkante gedrückt kann es mit der anderen abgeschwungen und dabei seine freie Länge variiert werden /siehe Abbildung B.3).

Spannung der Saite: Je stärker eine Saite gespannt wird, desto höher wird ihr Grundton. Bei den meisten Saiteninstrumenten kann die Spannung durch Drehen an den Wirbeln am oberen Ende des Instrumentenhalses verändert werden (siehe Abbildung B.4). Dies lässt sich auch in einem einfachen Gummiband nachstellen: Hält man das Gummiband locker zwischen Daumen und Zeigefinger der einen Hand und bringt es mit einem Finger der anderen durch Zupfen in Schwingung, ergibt sich ein eher tiefer Klang. Spannt man das Gummiband stärker, wird der Klang zunehmend höher.

Material und Masse der Saite: Das Medium / Material spielt bei der Schallausbreitung und auch bei der Erzeugung von Schall eine wesentliche Rolle. Auf einer Gitarre wird das in der Regel gut sichtbar, wenn man die sechs Saiten vergleichend betrachtet. Die oberen drei sind bei einer Nylonbespannung aus weißlich-durchsichtigem Nylon unterschiedlicher Dicke. Je dicker die Saite ist (oder je mehr Masse sie besitzt), desto langsamer schwingt sie (bei gleicher Spannung) und desto tiefer ist ihr Grundton. Die unteren drei Saiten meist ebenfalls aus Nylon, aber mit zusätzlichem Material umwickelt, um die Masse noch stärker zu erhöhen.


Zusammengefasst:

      • Verkürzt man eine Saite, wird ihr Grundton höher.
      • Erhöht man die Spannung einer Saite, wird ihr Grundton höher.
      • Verringert man die Masse einer Saite, wird ihr Grundton höher.

Schall entsteht also dann, wenn Materie sich bewegt. Die Materie ist ebenso wichtig, wenn es darum geht, dass der Schall (die Schwingung) sich weiterbewegt und durch den Raum ausbreitet. Das schauen wir uns im nächsten Abschnitt an.