Was ist ein Klang? Eine allgemeine Erinnerung an Schallwellen.

Klang ist allgegenwärtig. Er weckt uns morgens auf, er begleitet uns auf unseren Reisen über unsere Kopfhörer oder im Autoradio. Es ist der Klang, der uns letztlich ermöglicht, miteinander zu kommunizieren. Aber wissen Sie wirklich, was ein Klang ist? Welches physikalische Phänomen verbirgt sich hinter einer Mozart-Oper oder dem perkussiven Krachen eines Presslufthammers?

Luftschwingungen

Klang ist die Schwingung von Molekülen, die sich durch ein Medium (Luft, Wasser, Beton) ausbreitet. Der Klang breitet sich nicht im Nichts aus (die Lichtschwertgeräusche aus Star Wars... die waren nicht echt!) In diesem Artikel werden wir uns auf den Klang in der Luft fokussieren: die Schallwellen sind eigentlich Scheiben von Luftmolekülen, die um eine Gleichgewichtslage schwingen. Die Schwingung eines Moleküls entspricht einer Rundreise, einem ständigen Hin- und Herbewegen des Moleküls (wie das Pendel einer Uhr).

Die maximale Entfernung, die das Molekül bei seiner Hin- und Herbewegung zurücklegt, wird alsdie Amplitude des Klangs. Dieses physikalische Maß entspricht der Lautstärke des Klangs. Die Folge: Dreht man den Lautstärkeregler, um die Musik lauter zu machen, schwingen die Moleküle, indem sie sich weiter von ihrer Gleichgewichtslage entfernen.

Wussten Sie schon?

Die kleinste Klangamplitude, die ein menschliches Ohr wahrnehmen kann, ist eine Verschiebung der Moleküle von 0,1 ångström, eine Verschiebung kleiner als der Radius eines Atoms! Das heißt, wenn Ihr Ohr präzise ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Klangs istdie Frequenz mit der die Teilchen schwingen. Sie ist einfach die Anzahl der Hin- und Rückreisen, die ein Luftmolekül pro Sekunde macht. In der Wahrnehmung entspricht die Frequenz des Klangs der so genannten Tonhöhe: Ist die Frequenz niedrig, so ist der Klang tief, ist die Frequenz hoch, so ist der Klang hoch.

• Die 440 Hz A entsprechen den Luftmolekülen, die die440 Hin- und Rückfahrten pro Sekunde !

• Der tiefste Klang, den das menschliche Ohr wahrnehmen kann, hat eine Frequenz von 20 Hz, der höchste Klang hat eine Frequenz von 20 000 Hz. Diese Werte sind bei jedem Menschen unterschiedlich (insbesondere je nach Alter).

Der Klang in der Gleichung

Der einfachste Klang ist der reine Klang. Eine Pfeife, eine Stimmgabel oder eine Geige, die im sehr hohen Register spielt, sind Beispiele für Klänge, die dem reinen Klang sehr ähnlich sind. Beim reinen Klang schwingt die Scheibe des Luftmoleküls regelmäßig mit der Zeit, wie das Pendel einer Uhr. Wir können seine Bewegung in der Zeit durch eine Sinuskurve darstellen:

Mathematisch können wir schreiben:

• f istdie Frequenz der Schwingung. Diese Größe steht in direktem Zusammenhang mit der Periode (der Dauer eines Umlaufs, in der Abbildung blau dargestellt).

• A ist die Amplitude des Klangs.

Komplexe Klänge

Wir haben das Beispiel des reinen Klangs gesehen, aber im wirklichen Leben ist der Klang viel komplizierter. Ein gehaltener Ton, der auf dem Saxophon gespielt wird, enthält zum Beispiel mehrere sich überlagernde Frequenzen, auch wenn eine bestimmte Tonhöhe zu hören ist. Ein komplexer Klang ist immer die Überlagerung mehrerer reiner Klänge mit unterschiedlicher Frequenz und Amplitude.

Bei dieser Art von Klang wird die niedrigste Frequenz alsdie Grundfrequenz. Diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des Tons, den man hört. Die anderen Frequenzen werden als Obertöne des Klangs bezeichnet: Sie verändern nicht die Tonhöhe des Klangs, sondern seine Klangfarbe.

UND KLÄNGE, DIE KEINE NOTEN SIND?

Die meisten Klänge haben keine Tonhöhe: Man denke an die verschiedenen Klänge des Schlagzeugs, die eines Autos, das auf der Straße fährt... Diese Klänge enthalten eigentlich alle Frequenzen gleichermaßen. Wenn keine Frequenz stärker ist als die anderen, kann man den Klang eher als Lärm bezeichnen. Wenn hingegen eine Frequenz unter den anderen hervorsticht, hört man bei diesem Klang eine Tonhöhe.

Zusammenfassung:

• Klang ist ein physikalisches Phänomen, das der Vibration von Luftmolekülen entspricht

• Er wird hauptsächlich durch seine Frequenz (Tonhöhe) und seine Amplitude (Lautstärke) charakterisiert

• Reine Klänge wie die Stimmgabel haben nur eine Frequenz, aber die meisten Klänge bestehen aus der Überlagerung von unendlich vielen reinen Klängen.