B – Entstehung von Schall

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

in diesem kapitel wird folgendes betrachtet:
        1. Bewegung als Ursache von Schall
        2. Wie diese Bewegung sichtbar gemacht werden kann
        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 beim Ohr ankommt, versetzt diese übertragene Störung kleine Härchen im Ohr in Bewegung, die als Rezeptoren diese Information an das Gehirn weiterleiten (Abschnitt D). Es ist ein Schall zu hören.

Abb. B1; Schallbeispiele für Ton, Klang, Geräusch und Knall.

Bei genauerer Betrachtung der Schallbeispiele in Bezug auf ihre Ursache ist folgendes festzuhalten: 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 sie meist nicht direkt wahrgenommen werden. Es wurde bereits die Möglichkeit betrachtet, die Bewegungen indirekt über ein Oszilloskop darzustellen und auch ein 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 A1 und A2 dargestellt:

      1. Die Verwendung eines trägeren Mediums als Luft: Wenn eine Stimmgabel angeschwungen wird 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.

Video A1: Schwingung einer Stimmgabel in Wasser in Slow-Motion.

      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.

Video A2: Schwingung einer Stimmgabel in Luft in Slow-Motion.

B.3 Bewegung und Tonhöhe

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

Nun wird am Beispiel einer Gitarre betrachtet, 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 B2, zum genauen Zusammenhang zwischen Länge einer Saite, Tonhöhe und Obertönen siehe Abschnitt E)

Abb. B2: Schematische Abbildung einer Gitarre.

Der Zusammenhang zwischen Größe und Ton kann auch mit einem Blick auf die Instrumentenfamilien nachvollzogen werden. 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 B3).

Abb. B3: Schwingendes Lineal.

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 B4). Dies lässt sich auch in einem einfachen Gummiband nachstellen: Wird das Gummiband locker zwischen Daumen und Zeigefinger der einen Hand gehalten und es mit einem Finger der anderen durch Zupfen in Schwingung gebracht, ergibt sich ein eher tiefer Klang. Wird das Gummiband stärker gespannt, wird der Klang zunehmend höher.

Abb. B4: Schematische Abbildung einer Gitarre.

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 die sechs Saiten vergleichend betrachtet werden. 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 sind meist ebenfalls aus Nylon, aber mit zusätzlichem Material umwickelt, um die Masse noch stärker zu erhöhen.


Zusammengefasst:

      • Wird eine Saite verkürzt, wird ihr Grundton höher.
      • Wird die Spannung einer Saite erhöht, wird ihr Grundton höher.
      • Wird die Masse einer Saite verringert, 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. Dies wird im nächsten Abschnitt näher betrachtet.