Klang und Geräusch - Physik
Klang und Geräusch - Physik
Einleitung
Schritte, Stimmen, Musik, Verkehr: Unsere Umwelt ist voller Schall. In diesem aiMOOC untersuchst Du, wie Schall entsteht, sich ausbreitet und vom Ohr wahrgenommen wird. Du lernst, Ton, Klang, Geräusch und Knall physikalisch zu unterscheiden. Außerdem arbeitest Du mit Frequenz, Amplitude, Schallgeschwindigkeit, Echo und Schallpegel.
Der Schwerpunkt liegt auf einfachen Modellen, Beobachtungen und sicheren Experimenten für den Physikunterricht.
Lernziele
Nach der Bearbeitung kannst Du erklären, dass eine schwingende Schallquelle ein Medium in Schwingung versetzt. Du kannst Tonhöhe und Lautstärke passenden physikalischen Größen zuordnen, verschiedene Schallarten an ihrem zeitlichen Verlauf erkennen und einfache Aufgaben mit den Formeln und lösen. Du kannst außerdem begründen, wie ein Echo entsteht und wie Du Dein Gehör schützt.
Schall entsteht durch Schwingungen
Eine Schallquelle ist ein schwingender Körper. Beispiele sind die Saiten einer Gitarre, eine Lautsprechermembran, die Stimmbänder oder eine Stimmgabel. Die Schwingung überträgt sich auf die umgebende Luft. Dadurch entstehen abwechselnd Verdichtungen und Verdünnungen.
In Luft breitet sich Schall als Longitudinalwelle aus. Die Luftteilchen schwingen vor und zurück, während die Störung weiterwandert. Die Teilchen werden nicht von der Schallquelle bis zum Ohr transportiert. Übertragen wird Energie.
Schall braucht ein Medium
Schall benötigt einen Stoff, in dem Teilchen miteinander wechselwirken. Dieser Stoff heißt Medium. Schall kann sich in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten. Im idealen Vakuum gibt es keine Teilchen, die die Schwingung weitergeben. Deshalb kann sich dort kein Schall ausbreiten.
Frequenz, Periodendauer und Amplitude
Eine regelmäßige Schwingung wird durch ihre Periodendauer und ihre Frequenz beschrieben. Die Periodendauer gibt an, wie lange eine vollständige Schwingung dauert. Die Frequenz gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde stattfinden.
Die Einheit der Frequenz ist Hertz, kurz Hz. Eine Frequenz von 440 Hz bedeutet 440 Schwingungen pro Sekunde. Eine hohe Frequenz wird meist als hoher Ton wahrgenommen, eine niedrige Frequenz als tiefer Ton.
Hörbeispiel: Sinuston mit 440 Hz
Die Amplitude beschreibt die maximale Auslenkung einer Schwingung. Bei sonst gleichen Bedingungen führt eine größere Amplitude zu einem größeren Schalldruck und meist zu einer höheren wahrgenommenen Lautstärke. Die Wahrnehmung hängt jedoch auch von der Frequenz und vom individuellen Gehör ab.
Wellenlänge und Schallgeschwindigkeit
Zwischen Schallgeschwindigkeit , Wellenlänge und Frequenz gilt:
In trockener Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 20 °C ungefähr . Sie hängt vom Medium und von der Temperatur ab.
Beispiel: Für einen Ton mit gilt in Luft näherungsweise:
Ton, Klang, Geräusch und Knall
In der Schulphysik werden Schallereignisse nach ihrem zeitlichen Verlauf unterschieden.
| Schallart | Physikalisches Kennzeichen | Beispiel |
|---|---|---|
| Ton | Eine annähernd sinusförmige, periodische Schwingung mit einer bestimmten Frequenz | Stimmgabel |
| Klang | Eine periodische Überlagerung aus Grundton und Obertönen | Geige oder menschliche Stimme |
| Geräusch | Eine unregelmäßige, meist nicht periodische Schwingung mit vielen Frequenzanteilen | Rascheln oder Straßenverkehr |
| Knall | Ein kurzer, starker und schnell abklingender Schallimpuls | platzender Luftballon |
Ein Klang besitzt eine erkennbare Grundfrequenz. Seine Obertöne bestimmen die Klangfarbe. Deshalb können zwei Instrumente denselben Ton spielen und trotzdem verschieden klingen.
Hörbeispiel: weißes Rauschen als breitbandiges Geräusch
Schwingungsbilder untersuchen
Ein Mikrofon wandelt Schall in ein elektrisches Signal um. Ein Oszilloskop oder eine geeignete App kann den zeitlichen Verlauf darstellen. Ein Ton zeigt eine regelmäßige Sinuskurve. Ein Klang ist ebenfalls regelmäßig, aber nicht sinusförmig. Ein Geräusch zeigt einen unregelmäßigen Verlauf.
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Überlagern sich zwei Töne mit nahe beieinanderliegenden Frequenzen, kann eine Schwebung entstehen. Die Lautstärke scheint dabei regelmäßig an- und abzuschwellen.
Resonanz und sichtbare Schwingungen
Jeder schwingungsfähige Körper besitzt eine oder mehrere Eigenfrequenzen. Wird er passend angeregt, kann die Amplitude stark anwachsen. Dieses Phänomen heißt Resonanz.
Bei einer Chladni-Platte sammelt sich feines Pulver an den Knotenlinien, an denen die Platte kaum schwingt. So werden Schwingungsformen sichtbar.
Reflexion, Echo und Absorption
Trifft Schall auf eine Fläche, kann er reflektiert, absorbiert oder teilweise durchgelassen werden. Eine harte, glatte Wand reflektiert meist stärker als ein weicher Vorhang. Eine deutlich getrennte Reflexion wird als Echo wahrgenommen.
Beim Echo legt der Schall den Weg zur reflektierenden Fläche und wieder zurück. Für den Abstand gilt daher:
Beispiel: Zwischen Ruf und Echo vergehen . Mit ergibt sich:
Sender und Empfänger
Ein Mikrofon ist ein Schallempfänger: Es wandelt mechanische Schwingungen in elektrische Signale um. Ein Lautsprecher arbeitet umgekehrt. Seine Membran wird elektrisch angetrieben und erzeugt Schall.
Damit entsteht eine einfache Signalkette:
| Schritt | Umwandlung |
|---|---|
| Aufnahme | Schall wird im Mikrofon zum elektrischen Signal |
| Verarbeitung | Das Signal wird gespeichert, übertragen oder verstärkt |
| Wiedergabe | Der Lautsprecher wandelt das Signal wieder in Schall um |
Wie das Ohr hört
Die Ohrmuschel sammelt Schall. Der Gehörgang leitet ihn zum Trommelfell, das zu schwingen beginnt. Die Gehörknöchelchen übertragen die Schwingung zum Innenohr. In der Schnecke wandeln Sinneszellen die Bewegung in Nervenimpulse um. Das Gehirn verarbeitet diese Signale zur Hörempfindung.
Der menschliche Hörbereich ist individuell und verändert sich mit dem Alter. Häufig wird für junge Menschen ein ungefährer Bereich von 20 Hz bis 20 kHz angegeben. Unterhalb liegt Infraschall, oberhalb Ultraschall.
Schallpegel, Geräusch und Lärm
Der Schalldruckpegel wird in Dezibel angegeben. Die Dezibelskala ist logarithmisch. Deshalb dürfen Pegelangaben nicht wie gewöhnliche Längen oder Massen behandelt werden.
Ein Geräusch wird zu Lärm, wenn es unerwünscht, störend oder gesundheitlich belastend ist. Die Wirkung hängt unter anderem von Pegel, Dauer, Frequenz, Abstand und persönlicher Situation ab. Schütze Dein Gehör: Vergrößere den Abstand zu lauten Quellen, begrenze die Dauer und nutze geeigneten Gehörschutz.
Sicherheit: Erzeuge keine sehr lauten Töne direkt am Ohr. Smartphone-Apps eignen sich für vergleichende Schulmessungen, ersetzen aber kein kalibriertes Schallpegelmessgerät.
Blitz und Donner
Licht erreicht Dich nahezu sofort, Schall deutlich später. Deshalb siehst Du einen Blitz, bevor Du den Donner hörst. Aus der Zeitdifferenz lässt sich die Entfernung zum Gewitter grob abschätzen. Dabei gilt näherungsweise .
Hörbeispiel: Donner
Sichere Schulversuche
Tanzende Körner
Spanne ein Stück Luftballon straff über eine Schüssel und streue wenige Reiskörner darauf. Erzeuge in der Nähe einen Ton, ohne den Lautsprecher sehr laut zu stellen. Beobachte, wie die Membran und die Körner reagieren. Verändere Abstand und Lautstärke systematisch.
Schnurtelefon
Verbinde zwei Becher mit einer gespannten Schnur. Beim Sprechen versetzt der erste Becher die Schnur in Schwingung. Am zweiten Becher werden die Schwingungen wieder in Luftschall übertragen. Vergleiche eine gespannte mit einer lockeren Schnur.
Geräusche mit dem Smartphone untersuchen
Nimm verschiedene gleich leise Schallquellen mit derselben Mikrofonposition auf. Vergleiche Wellenform und Frequenzspektrum. Dokumentiere Bedingungen wie Abstand, Raum und Hintergrundgeräusche. Vermeide personenbezogene Aufnahmen ohne Zustimmung.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist eine Schallquelle? (Ein schwingender Körper) (!Ein völlig ruhender Körper) (!Ein leerer Raum ohne Teilchen) (!Eine reine Lichtquelle)
Wie breitet sich Schall in Luft hauptsächlich aus? (Als Longitudinalwelle) (!Als elektromagnetische Welle) (!Als dauerhafte Stoffströmung) (!Als Lichtstrahl)
Warum kann sich Schall im idealen Vakuum nicht ausbreiten? (Es fehlen Teilchen zur Übertragung der Schwingung) (!Die Frequenz wird dort immer null) (!Die Schallquelle verliert ihre Masse) (!Das Vakuum reflektiert jeden Ton vollständig)
Welche Größe bestimmt vor allem die Tonhöhe? (Die Frequenz) (!Die Masse des Zuhörers) (!Die Farbe der Schallquelle) (!Die Dauer einer Unterrichtsstunde)
In welcher Einheit wird die Frequenz angegeben? (Hertz) (!Dezibel) (!Meter) (!Pascal pro Sekunde)
Welche Änderung führt bei sonst gleichen Bedingungen meist zu einem lauteren Ton? (Eine größere Amplitude) (!Eine kleinere Amplitude) (!Eine längere Wellenlänge bei gleicher Frequenz und gleichem Medium) (!Eine vollständig ruhende Schallquelle)
Was kennzeichnet einen Klang in der Schulphysik? (Eine periodische Überlagerung aus Grundton und Obertönen) (!Eine einzige kurze Druckspitze) (!Eine völlig unregelmäßige Schwingung ohne Grundfrequenz) (!Das Fehlen jeder Schwingung)
Was kennzeichnet ein Geräusch typischerweise? (Einen unregelmäßigen zeitlichen Verlauf) (!Eine perfekte Sinusschwingung) (!Nur eine einzige Frequenz) (!Eine Ausbreitung ohne Medium)
Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft bei 20 Grad Celsius ungefähr? (343 Meter pro Sekunde) (!34 Meter pro Sekunde) (!300000 Kilometer pro Sekunde) (!3 Meter pro Stunde)
Warum wird beim Berechnen eines Echoabstands durch zwei geteilt? (Der Schall legt Hinweg und Rückweg zurück) (!Die Frequenz halbiert sich an jeder Wand) (!Das Ohr besitzt zwei Seiten) (!Die Schallquelle sendet immer zwei Töne)
Memory
| Frequenz | Tonhöhe |
| Amplitude | Lautstärkeeindruck |
| Hertz | Frequenzeinheit |
| Dezibel | Schallpegel |
| Echo | Reflexion |
| Medium | Schallübertragung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Kennzeichen |
|---|---|
| Ton | sinusförmige periodische Schwingung |
| Klang | periodische Mischung aus Grundton und Obertönen |
| Geräusch | unregelmäßige Schwingung mit vielen Frequenzanteilen |
| Knall | kurzer starker Schallimpuls |
| Ultraschall | Schall oberhalb des menschlichen Hörbereichs |
...
Kreuzworträtsel
| Akustik | Wie heißt die Lehre vom Schall? |
| Frequenz | Welche Größe gibt die Schwingungen pro Sekunde an? |
| Amplitude | Welche Größe beschreibt die maximale Auslenkung? |
| Resonanz | Wie heißt das starke Mitschwingen bei passender Anregung? |
| Dezibel | Wie heißt die Einheit des Schallpegels? |
| Trommelfell | Welcher Teil des Ohrs wird durch Schall in Schwingung versetzt? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Geräuschetagesbuch: Notiere an einem Tag fünf unterschiedliche Schallereignisse und ordne sie Ton, Klang, Geräusch oder Knall zu.
- Schwingung beobachten: Lege die Finger vorsichtig an Deinen Kehlkopf, summe leise und beschreibe Deine Beobachtung.
- Klangvergleich: Erzeuge denselben Ton mit zwei geeigneten Gegenständen oder Instrumenten und beschreibe Unterschiede in der Klangfarbe.
- Schallquellen: Fotografiere oder zeichne vier Schallquellen und markiere jeweils den schwingenden Teil.
Standard
- Schnurtelefon: Baue ein Schnurtelefon, verändere die Schnurspannung und dokumentiere, wann die Sprache am deutlichsten übertragen wird.
- Frequenzspektrum: Vergleiche mit einer geeigneten App einen gesummten Vokal, einen Pfeifton und ein Raschelgeräusch.
- Echo messen: Plane an einem sicheren Ort eine Messung der Echozeit und berechne den Abstand zur reflektierenden Fläche.
- Schalldämmung: Untersuche, welches von mehreren Materialien einen gleichbleibenden leisen Ton am stärksten abschwächt.
Schwer
- Schallgeschwindigkeit: Entwickle eine Messmethode mit zwei Smartphones oder Sensoren, schätze Messunsicherheiten ab und vergleiche Dein Ergebnis mit dem Literaturwert.
- Chladnische Klangfigur: Recherchiere Knotenlinien, fertige ein Modell oder eine Simulation an und erkläre die sichtbaren Muster.
- Lärmkartierung: Erstelle für das Schulgelände eine vergleichende Geräuschkarte mit einheitlicher Messmethode und Datenschutzregeln.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das Ton, Klang, Geräusch und Knall anhand eigener sicherer Beispiele unterscheidet.
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Lernkontrolle
- Modell der Schallausbreitung: Erkläre mit dem Teilchenmodell, weshalb Schall Energie überträgt, obwohl die Luftteilchen nur um ihre Ruhelage schwingen.
- Klang und Spektrum: Zwei Instrumente spielen dieselbe Grundfrequenz. Begründe, weshalb sie trotzdem unterschiedlich klingen können.
- Raumakustik: Vergleiche einen leeren Klassenraum mit einem Raum voller Vorhänge und Polstermöbel. Leite ab, wie sich Nachhall und Sprachverständlichkeit verändern.
- Echoaufgabe: Entwickle aus einer selbst gewählten Echozeit eine realistische Entfernung und erläutere jeden Rechenschritt.
- Messkritik: Beurteile, welche Grenzen eine Smartphone-App bei der Messung des Schallpegels besitzt und wie Du Vergleichsmessungen fair gestaltest.
- Gehörschutz: Entwirf für eine laute Schulveranstaltung ein Schutzkonzept, das Abstand, Dauer, Pegel und Rückzugsorte berücksichtigt.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Schall nicht nur benennen, sondern mit Beobachtungen, Modellen und Messdaten erklären kannst.
- Fachbegriffe: Schallquelle, Medium, Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Schallgeschwindigkeit und Schallpegel korrekt verwenden.
- Unterscheidung: Ton, Klang, Geräusch und Knall an Wellenform und Höreindruck begründet unterscheiden.
- Mathematische Kompetenz: , und die Echoformel auf einfache Aufgaben anwenden.
- Experimentierkompetenz: Eine sichere Untersuchung planen, Variablen kontrollieren, Messwerte dokumentieren und Fehlerquellen bewerten.
- Transfer: Erkenntnisse auf Raumakustik, Musikinstrumente, Gewitter, Technik und Gehörschutz übertragen.
- Dokumentation: Ergebnisse verständlich mit Text, Skizze, Tabelle, Diagramm oder eigenem Medium präsentieren.
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