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Tonphysik

Erklärung Tonphysik

Schall

Schall bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, den Knall (Schallarten), wie er von Menschen mit dem Gehör, also dem Ohr-Gehirn-System, aber auch von Tieren auditiv wahrgenommen werden kann.

Schall ist eine Druckschwankung, die sich einem elastischen Medium (z.B. Luft) ausbreitet. Gemessen am statischen Luftdruck von 100.000 Pascal (=1 bar) ist der Wechseldruckanteil (=Schalldruck) äußerst gering. Bereits bei 100 Pa (=134dB SPL) ist die Schmerzgrenze des menschlichen Gehörs erreicht. Daher; in einem Vakuum existiert kein Schall.

Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Medium fortpflanzen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit  der Schallwellen hängt von der Dichte des Mediums ab. In der trockener, ca. 20 Grad warmer Luft liegt die Schallgeschwindigkeit bei ca. 333 m/s. Das entspricht 1235 km/h.

Schalldruckpegel

Der Schalldruckpegel (englisch Sound Pressure Level, abgekürzt SPL) ist das Mass zur Beschreibung eines Schallereignisses.

DSchalldruckpegelezibel (dB) ist die mehrheitlich angewendete Einheit  beim Umgang mit Lautstärke und stellt eine logarithmische Größe dar, die dem menschlichem Hörempfinden angepasst ist. Das bedeutet, dass man nicht linear mit dieser Größe rechnen kann: Eine Verdoppelung der Lautstärke entspricht nicht einer Verdoppelung des Dezibelwertes! Trotzdem kann man diese Einheit recht einfach handhaben indem man sich folgendes merkt:

  • +03 dB: Doppelte Leistung (z.B. zwei gleichlaute Schallquellen statt einer)
  • +06 dB: Doppelter Schalldruck (doppelte Amplitude)
  • +10 dB: Doppelte Lautstärke (statistischer Durchschnittswert)

In der Regel beschreiben Angaben in Dezibel einen Lautstärkenunterschied: -4 dB (als Einstellung eines Reglers am Mischpult) heißt eigentlich, die Lautstärke ist zwar nicht bekannt, aber nach Passieren des Reglers ist sie um 4 dB geringer. 0 dB heißt in dem Fall, die Lautstärke wird nicht Verändert.

Schwingungen

SinusschwingungAls Schwingungen oder Oszillationen werden wiederholte, zeitliche Schwankungen von Zustandsgrößen eines Systems bezeichnet.  Die einfachste Form der Schwingung ist die Sinusschwingung. Sie kann durch Frequenz, Amplitude und Phase charakterisiert werden. Eine einzelne Schwingung beginnt, wenn sich ein Teilchen in der Ausgangsposition befindet und endet nach positivem und negativem Ausschlag wiederum in der Ausgangsposition.

Die Frequenz (f) gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an und bestimmt die Tonhöhe eines Klangs, je höher die Frequenz, desto höher der Ton. Die Einheit ist Herz (Hz).

Die Amplitude (A) ist der maximale Ausschlag der Schwingung, also der maximale Schalldruck, der für die Lautstärke verantwortlich ist.

Die Phase (w) bestimmt die Verschiebung der Schwingung auf der Zeitachse. Sie kann in Grad angegeben werden.

Ton/Geräusch

Ton bezeichnet in der Musik ein Schallereignis (sowie dessen Höreindruck und gedankliche Abstraktion), das von Musikinstrumenten, der menschlichen Stimme oder anderweitig erzeugt wird und dem eine mehr oder weniger exakte Tonhöhe zugeordnet werden kann. Schwingungen die sich in einer bestimmten Frequenz wiederholen  (periodische Schwingungen) werden als Ton wahrgenommen. So erzeugt die Sinusschwingung, die in der Natur nicht vorkommt sondern von Oszillatoren hergestellt wird, quasi den reinst möglichen und gleichzeitig langweiligsten Ton. Alles was wir im Normalfall hören, setzt sich aus einer Vielzahl von Schwingungen zusammen, die sich gegenseitig überlagern. Bei der Überlagerung addieren sich die Pegel.

Geräusch (von Rauschen) ist ein Sammelbegriff für alle Hörempfindungen, die nicht als Ton, Klang, Tongemisch, Zusammenklang oder Klanggemisch bezeichnet werden können. Geräusche bestehen aus einem Gemisch verschiedenster Frequenzen mit aperiodischem Schwingungsverlauf (keine regelmässige Wiederholung). Geräusch und Ton schliessen sich nicht aus, denn auch sie  überlagern sich. Alle natürlich erzeugten Töne haben auch einen Geräuschanteil (Luftgeräusche bei Blasinstrumenten, Anschlag der Saiten beim Klavier, Kratzen des Bogens auf der Saite bei Streichinstrumenten), was sie umso interessanter macht. Umgekehrt können Geräusche auch Töne enthalten – die Übergänge sind fliessend.

Musik

MusiknoteMusik ist eine organisierte Form von Schallereignissen. Zu ihrer Erzeugung wird akustisches Material – Töne und Geräusche innerhalb des für den Menschen hörbaren Bereichs –, das einerseits physikalischen Eigengesetzlichkeiten, wie zum Beispiel der Obertonreihe oder Zahlenverhältnissen unterliegt, andererseits durch die Art seiner Erzeugung mit der menschlichen Stimme, mit Musikinstrumenten, elektrischen Tongeneratoren oder anderen Schallquellen gewisse Charakteristika aufweist, vom Menschen geordnet. Aus dem Vorrat eines Tonsystems werden Skalen gebildet. Deren Töne können in unterschiedlicher Lautstärke und Klangfarbe erscheinen und Melodien bilden. Aus der zeitlichen Folge der Töne und Geräusche verschieden langer Dauer entstehen Rhythmen. Aus dem Zusammenklang mehrerer Töne von jeweils anderer Tonhöhe erwächst Mehrstimmigkeit, aus den Beziehungen der Töne untereinander entsteht Harmonik.

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