Das interaktive Akustik-Labor

Kann man ein Glas zersingen?

Die Opernsängerin schmettert voller Inbrunst eine Arie. Das Sektglas fängt an zu vibrieren, schwingt immer stärker, bis es schließlich...zerspringt! Kann man mit der menschlichen Stimme ein Glas zersingen? Wie entstehen überhaupt Töne? Bei welcher Frequenz fängt eine Stimmgabel an zu schwingen? Erforschen lassen sich diese Fragen im virtuellen Akustik-Labor.

Diese Anwendung ist in HTML5 programmiert und eignet sich somit auch für die Nutzung auf mobilen Endgeräten.

Experiment geglückt: Bei einer Frequenz von 780 Hz und einem Schalldruck von 131 dB wurde das leere Glas in so starke Schwingungen versetzt, dass es schließlich geplatzt ist.

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1. Versuchsanleitung

Im interaktiven Akustik-Labor kann man mithilfe eines Tongenerators testen, wie sich Töne auf verschiedene Klangkörper auswirken. Dazu muss man auf eines der Objekte links klicken, um es in dem gedämmten Versuchsraum zu bringen. Rechts am ersten Regler wird eine gewünschte Frequenz eingestellt. Dann kann der Schalldruck-Regler an eine beliebige Position geschoben werden. Im Oszilloskop wird der erzeugte Ton als Sinuskurve dargestellt. Die Lämpchen über "Vibration" verraten, wie stark das Untersuchungsobjekt mitschwingt.

2. Versuchsgegenstände

Leeres Glas

Ein Glas hat bestimmte Eigenfrequenzen, bei denen es in starke Schwingung versetzt werden kann, man nennt sie Resonanzfrequenzen. Ein Glasharfenspieler nutzt diesen Effekt musikalisch aus, indem er das Glas durch Anstreichen mit dem Fingern zum Klingen bringt. Beschallt man nun das Glas genau mit diesen Eigenfrequenzen, dann gerät das Glas in starke Schwingungen. Ist der Ton laut genug, dann schaukeln sich die Schwingungen stark auf und das Glas zerbricht.

Volles Glas

Ein gefülltes Glas verhält sich akustisch gesehen ganz ähnlich wie ein leeres. Allerdings wird je nach Füllhöhe die Eigenfrequenz gegenüber dem leeren Glas verringert. Die Resonanzfrequenz des Glases wird also niedriger. Dieser Effekt wird bei der Glasharfe zum Stimmen der einzelnen Gläser ausgenutzt.

Geige

Jede Saite der Geige hat eine eigene Grundschwingung, es sind die Töne g, d', a' und e". Man nennt sie die Resonanzfrequenzen der Saiten. Die Saiten können aber auch in ihren Oberschwingungen angeregt werden. So schwingt die G-Saite bei Anregung mit 198 Hertz in ihrer Grundschwingung und bei der doppelten Frequenz von 396 Hertz in ihrer 1. harmonischen Oberschwingung.

Gong

Der Gong ist eine gewölbte Metallplatte. Schlägt man sie an, entsteht eine Vielzahl von unterschiedlich hohen Tönen, die zusammen den Klang des Gongs ausmachen. Die Tonhöhen der Einzeltöne stehen in nicht ganzzahligem Verhältnis zueinander. Man sagt daher, der Gong hat anharmonische Obertöne. Instrumente mit vielen oder starken anharmonischen Obertönen klingen eher geräuschhaft. Beispiele dafür sind Trommeln, Pauken und eben auch der Gong.

Stimmgabel

Die Stimmgabel produziert fast reine Töne. Das heißt, sie erzeugt einen einzigen Ton mit einer festen Frequenz. In unserem Beispiel ist es die Frequenz 440 Hertz, die dem Kammerton a' entspricht. Sie lässt sich daher auch nur bei einer einzigen Frequenz zum Schwingen bringen.

3. Tongenerator

Frequenz und Schalldruck sind die entscheidenden Parameter für das Experiment. Sie lassen sich per Schieberegler stufenlos einstellen.

Mit dem Tongenerator können Töne zwischen ca. 100 und 780 Hertz erzeugt werden. Je höher die Einstellung am Frequenzregler, desto höher klingt der Ton. Genauso lässt sich die Lautstärke über den Regler Schalldruck beeinflussen.

4. Vibrations-Messer

Dieses Messgerät zeigt an, wie stark das Untersuchungsobjekt in Schwingung gerät. Wird eine Resonanzfrequenz des Objekts eingestellt, so ist der Ausschlag der Vibrationsanzeige von der Höhe des Schalldrucks abhängig.

5. Oszillogramm

Im Oszillogramm wird die elektrische Schwingung angezeigt, die an den Lautsprechern abgegeben wird. Die Deutung der aufgezeichneten Schwingung ist ganz einfach: Je dichter die Wellen beieinanderliegen, desto höher ist die Frequenz. Je höher die Wellenberge sind, desto lauter ist der Ton.