Aufgaben zur Akustik (Lösungen)

Schallquellen

1) Nenne einige Möglichkeiten Schall zu erzeugen. Was haben alle diese Möglichkeiten gemeinsam?
Bei der Erzeugung von Schall schwingt oder vibriert etwas schnell: In eine Flöte blasen (die Luft), Sprechen oder Singen (die Stimmbänder), auf eine Trommel schlagen (das Trommelfell), Musik aus dem Radio (die Lautsprecher-Membran)

2) Wie kann man die Schwingung einer Stimmgabel sichtbar machen?
a) Mit einer verrußten Glasplatte: Zuerst hält man eine Glasplatte über eine Kerze, bis sie ganz voller Ruß ist. Dann befestigt man an einem Zinken der Stimmgabel einen kleinen Draht, schlägt sie an und zieht den Draht schnell über die Glasplatte. Man sieht dann eine Wellenlinie. (Hier steht es ausführlich.)
b) Mit einem Stroboskop: Beleuchtet man die Stimmgabel mit Lichtblitzen, die im fast gleichen Rythmus wie die Zinken der Stimmgabel schwingt, so sieht man die Bewegung in Zeitlupe.
c) Mit Mikrophon und Oszilloskop: Ein Mikrophon verwandelt den Schall in Stromschwingungen, die man sich auf dem Oszilloskop anschauen kann. (Hier steht es ausführlich.)

3) Wie funktioniert eine Schallplatte?
Die Schallplatte funktioniert gerade umgekehrt wie der Versuch mit der verußten Glasplatte. In der Schallplatte befindet sich eine lange wellenförmige Rille. In dieser Rille bewegt sich die Nadel und schwingt. Diese Schwingung kann man nun noch verstärken. (Hier die genaue Beschreibung.)

4) Was macht man bei einer Pendeluhr, wenn sie ständig vor geht?
Man verschiebt das schwingende Gewicht am Pendel weiter nach unten. Denn bei einer größeren Pendellänge ist die Periodendauerdauer größer. Das Pendel schwingt nicht mehr so oft und die Uhr geht langsamer.

5) Ein Ton hat eine Frequenz von 100 Hz, ein anderer von 500 Hz. Wie unterscheiden sich die beiden Töne, wenn du sie hörst?
Ein Ton mit einer Frequenz von 100Hz ist tiefer als der mit 500Hz.

6) Erkläre den Begriff "Amplitude" an einem Beispiel.
Wenn Maria so schaukelt, dass sie einen Meter nach vorne kommt und einen Meter zurück, dann schaukelt sie mit einer Amplitude von einem Meter.

7) Ein Pendel schwingt mit einer Amplitude von 10cm und einer Periodendauer von 0,5 Sekunden. Was bedeutet das?
Von der Ruhelage aus bewegt sich das Pendel 10cm nach rechts oder nach links. Es macht in einer halben Sekunde eine Schwingung, also zwei Schwingungen pro Sekunde.

8) Mit einer verrußten Glasplatte wird die Schwingung einer Stimmgabel aufgezeichnet.

Mit welcher Amplitude und mit welcher Frequenz schwingt die Stimmgabel?

Die Wellenlinie der Stimmgabel.

Die Amplitude beträgt 3mm. Die Stimmgabel schwingt 10 mal in einer halben Sekunde, also 20 mal in einer ganzen Sekunde. Die Frequenz beträgt 20Hz (Hertz).

Danach ändert man den Versuch zweimal ab und erzeugt zwei andere Wellenlininen.

Wie verändert sich der hörbare Ton gegenüber dem ersten Versuch?

Wie hat man wohl die anderen Wellenlinien erzeugt?

Die erste Veränderung.

Der Ton ist leiser, die Amplitude ist kleiner. Man hat wohl die Stimmgabel nicht so fest angeschlagen.

Die zweite Veränderung.

Der Ton ist höher, es gibt mehr Schwingungen in der gleichen Zeit, die Frequenz ist größer. Man hat also eine andere Stimmgabel verwendet.

9) Ein Lautsprecher erzeugt zunächst einen leisen, hohen Ton. Dann werden die Einstellungen am angeschlossenen Sinusgenerator verändert und der Ton ist lauter. Was wurde verändert?
Am Sinusgenerator wurde die Amplitude vergrößert, deshalb ist der Ton lauter.

10) a) Zeichne mit roter Farbe in ein Koordinatensystem die Wellenlinie einer Schwingung mit einer Amplitude von 3cm und einer Periodendauer von 0,2 Sekunden.

b) Zeichne dann mit blauer Farbe die Wellenline der Schwingung mit doppelter Frequenz aber halber Amplitude ein.

11) Auf den Bildern siehst du die Aufzeichnungen verschiedener Klänge und Geräusche. Schreibe darunter wie der Klang / das Geräusch erzeugt worden ist.

• 

  Mit einer Stimmgabel, man erkennt das an der "schönen" Wellenlinie.

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  Hier wurde in die Hände geklatscht oder gegen etwas geschlagen, dass einen Knall verursacht.

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  Es wurden zwei Stimmgabeln gleichzeitg angeschlagen. Eine mit einem tiefen, eine mit einem hohen Ton.

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  Man singt ein "U".

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  Man singt ein "A".

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  Man singt ein "E".

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  Man singt ein "I".

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  Man singt ein "O".

Schallausbreitung

1) Warum kann man im Weltall nichts hören? Welchen Versuch haben wir dazu gemacht?

Im Weltall gibt es keine Luft. Deshalb fehlt der Schallträger, der den Schall weiterleiten kann. Wir haben im Unterricht eine Klingel unter eine Glasglocke gestellt und mit einer Vakuumpumpe die Luft herausgesaugt. Dann konnte man die Klingel nicht mehr hören.

2) Dein Nachbar spielt drei Stockwerke über dir Klavier. Du hörst es laut und deutlich, auch wenn die Fenster geschlossen sind. Woran liegt das? Auch dazu haben wir ein Experiment gemacht. Beschreibe es.

Nicht nur Luft ist ein Schallträger, auch die Wände und die Böden sind es. Das Klavier steht im 3. Stock auf dem Boden und so gelangt der Schall in den Boden. Er wird durch die Wände nach unten geleitet und kommt dann aus der Wand heraus wieder in die Luft, sodass man ihn hören kann. Im Unterricht haben wir ein Praktikum gemacht um Schallträger zu untersuchen. Den Knopf der schwingenden Stimmgabel haben wir an einen Gegenstand gehalten und das Ohr an die andere Seite. Feste Stoffe, wie Holz, ein Buch, ... leiten den Schall gut, weiche Stoffe, wie ein Schwamm, Stoff, ... leiten den Schall schlecht.
Im Praktikumsversuch mit dem Löffel an der Schnur haben wir gehört, dass eine Schnur den Schall sogar besser leitet als die Luft.

3) Mache mehrere Zeichnungen von einer Spiralfeder, die zeigen, wie sich der Schall ausbreitet.Von der Spiralfeder haben wir Zeichnungen ins Heft gemacht.

Man sieht, wie man an einem Ende der Feder durch Zusammendrücken eine Verdichtung erzeugt. Läßt man nun los, so wandert die Verdichtung durch die Feder, wird am Ende der Feder reflektiert und wandert wieder zurück. Die Verdichtung wird dabei im Laufe der Zeit immer weniger dicht, bis sie schließlich verschwunden ist. Statt einer Verdichtung kann man auch eine Verdünnung nehmen, indem man die Feder an einer Stelle auseinanderzieht.

4) Der Schall hat eine Geschwindigkeit von ca. [math]340\,\rm \frac{m}{sec}[/math]. Ist es dabei egal, ob der Schall laut/leise hoch oder tief ist? Woher weißt du das?

Wir haben den Film "Schallparade" gesehen, in dem gezeigt wird, wie schnell sich der Schall eines Beckens, einer Opernsängerin und der einer Hupe ausbreitet. Die laute Hupe konnte man zwar noch in größerer Entfernung hören, aber er war genauso schnell wie der Schall des leiseren Beckens. Es war auch egal ob der Ton hoch oder tief war.

5) Zehn Sekunden nachdem du den Blitz siehst, kannst du den Donner hören. Wie weit ist das Gewitter entfernt? Rechne einmal mit der einfachen Gewitterregel und einmal mit der Schallgeschwindigkeit von [math]340\,\rm\frac{m}{sec}[/math].

Nach der Gewitterregel: [math]10: 3 \approx 3{,}3[/math]. Der Blitz ist ungefähr [math]3{,}3 \,\rm km[/math] entfernt eingeschlagen. (Zählt man weniger als 10 Sekunden, sollte man Schutz suchen!)

Mit der exakten Geschwindigkeit ist das Gewitter 3,4km entfernt:

als Dreisatz:

Merkregel

Zeit  | Strecke
 1sec |  340m   *10
10sec | 3400m

oder mit einer Formel: [math]s=v\cdot t = 340\rm\frac{m}{sec}\cdot 10\,\rm sec = 3400\,\rm m[/math]

6) Ein Gewitter ist 2,5 Kilometer entfernt. Welche Zeit vergeht zwischen dem Blitz und dem Donner?

als Dreisatz:

Zeit        | Strecke
 1sec       |  340m   :34
 0,02941sec |   10m   *250
 7,4sec     | 2500m

oder mit einer Formel: [math]t=\frac{s}{v} = \frac{2500\,\rm m}{340\rm\frac{m}{sec}}=7{,4}\,\rm sec[/math] Es vergehen über 7 Sekunden zwischen Blitz und Donner.

7) Zur Messung der Schallgeschwindigkeit erzeugt eine Schülerin mit einer Startklappe einen lauten Knall.

In einer Entfernung von 200m stehen 16 Schülerinnen und Schüler, die vorher alle ihre Stoppuhren gleichzeitig gestartet haben. die Hälfte steht mit dem Gesicht zur Klappe und stoppt die Uhr, wenn sie sehen, wie sich die Klappe schließt. Die andere Hälfte kann die Klappe nicht sehen und stoppt die Uhr, wenn sie den Knall hören.

Beim ersten Schüler sind ab dem gemeinsamen Start der Stoppuhren bis zum Erzeugen des Knalls 10,52 Sekunden vergangen. Vom gemeinsamen Start der Uhren bis zum Hören des Knalls sind 11,15 Sekunden vergangen. Der Schall hat also 0,63 Sekunden für die Strecke von 200m gebraucht.
Um alle Werte zu verwenden, bildet man den Mittelwert aller Startzeiten und den Mittelwert aller Stoppzeiten:

Startzeiten (in sec): 10,52 10,39 10,50 10,58 10,43 10,59 10,48 10,54 Mittelwert: 10,50
Stoppzeiten (in sec): 11,15 11,08 11,09 11,20 11,05 11,12 11,08 11,11 Mittelwert: 11,11

Unterschied zwischen Start- und Stoppzeit: 0,61sec

Jetzt kann man die Schallgeschwindgkeit ausrechnen:

als Dreisatz:

 Zeit    | Strecke
 0,61sec | 200m   | :0,61
 1sec    | 328m

oder mit einer Formel:

[math]v = \frac{s}{t} = \frac{200\,\rm m}{0{,}61\,\rm sec} = 328\rm\frac{m}{sec}[/math]

8) Bei einer Messung der Schallgeschwindigkeit mit einem Echo hat man folgende Messwerte:

Strecke vom Ausgangspunkt bis zur Wand: 55m
Startzeiten (in sec): 5,34 5,48 5,25 Mittelwert: 5,36
Stoppzeiten (in sec): 5,62 5,78 5,64 Mittelwert: 5,68 Zeitdauer: 0,32

Der Schall hat also 0,32sec für 110m gebraucht:

[math]v=\frac{s}{t} = \frac{110\,\rm m}{0{,}32\,\rm sec}=344\,\rm\frac{m}{sec}[/math]

Ohr und Lärm

1) Zeichne ein menschliches Ohr im Querschnitt und benenne die einzelnen Teile.

2) Erkläre wie das Hören des Ohres funktioniert.

Die Vibrationen der Luft gelangen durch den Gehörgang an das Trommelfell. Das Trommelfell schwingt und bringt mit Hilfe der drei Knochen Hammer, Amboss und Steigbügel die Flüssigkeit der Schnecke zum Schwingen. In der Schnecke werden von der Flüssigkeit kleine Häarchen bewegt, was Nervenimpulse auslöst, die zum Gehirn geleitet werden.

3) Schall der laut ist, muss nicht als Lärm empfunden werden und umgekehrt kann ganz leiser Schall sehr störend sein. Finde passende Beispielsituationen.

Wenn ich ganz laut mein Lieblingslied höre, ist das schön :) Aber ein tropfender Wasserhahn kann sehr nervig sein.

4) Antonia benutzt eine spezielle Pfeife, um ihren Hund zu rufen. Wenn sie hineinpustet hört sie nur ein leises Pfeifen, dann kommt er gleich angerannt, auch wenn er weit weg war. Antonias Opa dagegen hat von der Pfeife überhaupt nichts gehört. Erkläre!

Die Hundepfeife erzeugt einen sehr hohen Ton mit einer großen Frequenz. Hunde können Schall bis zu 50000Hz hören, ein junger Mensch bis zu 20000Hz. Ein älterer Mensch kann so hohe Töne nicht mehr hören, denn bei älteren Menschen wird der Teil der Schnecke, der die hohen Töne hört unbeweglicher und so hört Antonias Opa das Pfeifen nicht.

5) Ein Schallpegelmessgerät misst die Lautstärke in einem Klassenzimmer zu 60db. Erkläre die Bedeutung des Messwertes, indem du erklärst was 0db sind und wieviel mal lauter 60db sind.

Der leiseste Ton bei einer Frequenz von 2000 HZ, den Menschen gerade noch hören können hat eine Lautstärke von 0 Dezibel. Jeder Anstieg um 10 Dezibel empfindet das menschliche Ohr als doppelt so laut. Bis zu 60db muss man also sechsmal verdoppeln: [math]2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2 = 64[/math] 60db sind daher 64 mal lauter als die Hörschwelle!

6) Ab welcher Lautstärke können Hörschäden auftreten?

Wer über längere Zeit einer Lautstärke von 80db und mehr ausgesetzt ist sollte einen Gehörschutz tragen.

7) Warum ist es so leise, wenn Schnee gefallen ist?

Wenn Schall an einem festen Gegenstand reflektiert wird, dann wird er ein bischen leiser. Schnee besteht aus festen Eiskristallen, die aber viele luftgefüllte Hohlräume haben. Eine Schneedecke sieht daher ungefähr aus wie ein Schwamm mit vielen Löchern. Trifft der Schall auf den Schnee, so gelangt er in diese kleinen Hohlräume und wird darin ganz oft wie ein Echo reflektiert. Bei jeder Reflektion wird der Schall ein bischen leiser, bis der Schnee den Schall "geschluckt" hat. (Siehe auch dieses Video.)

8) Mache je eine Zeichnung wie sich der Schall von einem sprechendem Menschen in einem Klassenzimmer ausbreitet:

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  Ein Zimmer ohne Schalldämmung.

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  Ein Zimmer mit Schalldämmung an der Decke.

• 

  Ein Zimmer mit Schalldämmung an Decke und einer Wand.

9) Erkläre, warum man sich in einem Zimmer ohne Schalldämmung so schlecht unterhalten kann.

Ohne Schalldämmung reflektiert der gesprochene Schall von den Wänden, der Decke und dem Boden. Erst nach langer Zeit wird der Schall durch viele Reflektionen leiser, es gibt also einen langen "Nachhall".

Will man nun dem sprechenden Menschen zuhören, dann überlagert sich der Nachhall mit dem neu gesprochen Worten. Dieses Durcheinander kann man schlecht verstehen.