Über die Schallwellen im Allgemeinen

Die Musiklehrerin nimmt die Stimmgabel in die Hand, schlägt sie gegen die Tischkante ^ˇ langsam hört man einen leisen hohen Ton. Sie hebt das Instrument zum Ohr und zeigt dabei ein ernsthaftes Gesicht, übernimmt den Ton und fängt an, das eben zu lernende Lied zu singen… Vermutlich kommt die Szene uns allen als bekannt vor ^ˇ möglicherweise wissen viele jedoch nicht, wie dieses geniale kleine Instrument funktioniert.

Die Stimmgabel stellt eine

Schallquelle

dar, sobald sie gegen einen festen Gegenstand geschlagen wird. Dann beginnen sich die Stiele der Stimmgabel zu bewegen. Sie entfernen sich von ihrer Ruhelage zunächst in die eine, dann in die entgegengesetzte Richtung, und diese Bewegung wiederholt sich über längere Zeit: Die Stimmgabelstiele schwingen.

Schwingung

, d. h. die periodische (= zeitweise) Wiederholung eines Bewegungsmusters, ist elementar für die Tonerzeugung, sie stellt die Grundlage für jede

Schallwelle

dar.Wie aber wird aus dieser Schwingung ein hörbarer Ton? Selbstverständlich wird die periodi-sche Bewegung der Stimmgabel nicht ohne Auswirkungen für die Umgebung sein,vielmehr übergibt sie die Schwingung an die umgebende Luft. Auf der einen Seite der schwingenden Stimmgabel verdichten sich die Luftteilchen, auf der anderen Seite verdünnen sie sich, und diese Verdichtungen und Verdünnungen breiten sich aus ^ˇ ähnlich wie die Wellen, die von einem ins Wasser geworfe-nen Kiesstein hervorgerufen werden. Infolge der Verdichtungen und Verdünnungen entstehen in der umgebenden Luft

Luftdruckschwankungen

, die dann früher oder später auch die Trommelhaut erreichen und in Schwingung versetzen: Man nimmt diese Schwingung der Trommelhaut als Ton wahr.

Die so entstehenden Schwallwellen lassen sich mit zahlreichen messbaren physikalischen Werten beschreiben. An erster Stelle soll die

Amplitude (A)

genannt werden, die die Größe des Schwingungsausschlags, die größte Entfernung des schwingenden Körpers von der Ruhelage bezeichnet. Eine mit der Amplitude zusammenhängende Eigenschaft einer Schallwelle ist deren

Schallintensität (I)

, die pro Quadratmeter in Watt (W/m²) angegeben wird.

Die Schallintensität ist dem Quadrat der Amplitude proportional. Eine weitere, ebenfalls wichtige Größe stellt die

Frequenz (F)

dar, unter der die Anzahl der Schwingungsperioden (d. h. ein positiver und negativer Schwingungsausschlag, vgl.Abb. 6) pro Sekunde zu verstehen ist. Die Frequenz einer Schallwelle wird in Hertz (Hz) angegeben,so bedeutet 10 Hz,dass sich pro Sekunde zehn Schwin-gungsperioden wiederholen.

Das menschliche Gehör kann nicht alle Schallwellen wahrnehmen. Der Bereich des

wahrnehmbaren Schalls

kann aufgrund der Schallintensität und der Frequenz bestimmt werden. Dementsprechend kann der Mensch nur Schallwellen wahrnehmen, deren Frequenzwert zwischen 20 und 16 000 Hz (d. h. 16 Kilohertz, KHz) fällt, d. h. in denen mindestens 20, maximal 16 000

Schwingungsperioden pro Sekunde vorkommen. Eine Schallwelle unter 20 Hz nennt man

Infra-

, über 16 000

Ultra-

und über 108 (d. h. 100 000 000 Hz, d.h.100 Megahertz (MHz))

Hyperschall

.Die kleinste,gerade noch wahrnehm-bare Schallintensität bezeichnet man als

Hörschwelle

, sie liegt bei ca. 10-12 W/m²(also 1 000 000 000 000 W/m², d. h. 1 000 000 Mikrowatt pro Quadrat-meter). Die größte Intensität einer Schallwelle, die gerade unter der Schmerzgrenze liegt, beträgt etwa 1 W/m², eine Schallwelle oberhalb dieses Wertes nennt man

Superschall

^.

Intensität und Frequenz stellen zwar messbare physikalische Kennwerte von Schallwellen dar, sie haben jedoch Einfluss auf unsere Hörempfindung. So nimmt man gewisse Frequenzunterschiede als Unterschiede in der Tonhöhe wahr, wo-bei anzumerken ist, dass zwischen Frequenz und musikalischer Tonhöhen-empfindung keine lineare, sondern eine logarithmische Beziehung besteht, d. h.

der Zunahme der Frequenz um einen bestimmten Grad entspricht ein ganzes Tonhöhenintervall (z. B. eine Oktave). Eine logarithmische Beziehung besteht auch zwischen Schallintensität und Lautstärke, die man oft auf einer Dezibelskala angibt. So bedeuten zwar z. B. 50 dB ^ˇ was ungefähr der Laut-stärke der normalen Rede entspricht ^ˇ einen Ton, der mit einer 100 000-fachen Intensität der Hörschwelle hervorgebracht wird. Einem zehnmal laute-ren Ton entspricht 60 dB, einem hundertmal lautelaute-ren 70 dB.

Bisher war ^ˇ wenn auch unausgesprochen ^ˇstets von einer bestimmten Art der Schallwellen die Rede. Sie können mit sinusartigen Kurven wie in Abb.

6 charakterisiert werden,d.h.für sie ist die Wiederholung einer aus einem

posi-Abb.6 Darstellung der Schwingungsperiode einer harmonischen Schallwelle (t = Zeit, y = Schwingungsschlag,A = Amplitude).

tiven und einem negativen Ausschlag bestehenden Periode charakteristisch.

Solche Schallwellen werden als

reine Töne

wahrgenommen und sind unter natürlichen Bedingungen äußerst rar anzutreffen.Viel öfter erscheinen dagegen komplexe Schallwellen, die sich aus einzelnen Schwingungen zusammensetzen, durch deren Addition keine sinusartigen Kurven entstehen, vgl.Abb. 7 und Abb.

8. Solche komplexen Schallwellen werden als

Klänge

bezeichnet. Im Bereich der Klänge sind zwei Arten zu unterscheiden. Bei

Klängen im engeren Sinn

besteht zwischen den einzelnen Schwingungskomponenten ein harmonisches Verhältnis: die einzelnen Wellen (die

Obertöne

) stellen dabei jeweils ein Viel-faches der den niedrigsten Frequenzwert aufweisenden Grundwelle (

Grund-frequenz

: F₀) dar. Bei

Klängen im weiteren Sinn

stehen die einzelnen Wel-lenkomponenten in beliebigem Verhältnis zueinander. Um einen Klang im weite-ren Sinn handelt es sich beim Glockenklang, wähweite-rend Klänge im engeweite-ren Sinn für viele Schallwellen charakteristisch sind, die zu sprachlichen Zwecken ver-wendet werden (s. den nächsten Abschnitt). Schließlich gibt es noch eine dritte Art der Schallwellen, die

Geräusche

genannt werden. Für sie ist insgesamt keine periodische, sondern eine ganz unregelmäßige, stochastische Wellenform charakteristisch. Geräusche kommen im Sprachschall ebenfalls sehr häufig vor.

Abb. 8 Komplexe Schallwelle - die Schwingungsperiode eines Gitarrenklangs Abb. 7 Komplexe Schallwelle - die Schwingungsperiode eines a-Vokals

Abschließend sei noch auf die Darstellung der physikalischen Charakteristika der Schallwellen kurz eingegangen. Dabei sollen zwei Darstellungsweisen kurz erläutert werden, die auch in der akustischen Phonetik oft Verwendung finden.

Die eine nennt man

Oszillogramm

, was die Wellenform der Schwingung dar-stellt. In der vertikalen Ausdehnung (y-Achse) des Diagramms ist der positive bzw. negative Ausschlag, auf der horizontalen (x-Achse) dagegen die Zeit abge-bildet.Abb. 7 und Abb. 8 sind Ausschnitte aus Oszillogrammen ^ˇ Erstere aus dem eines a-Vokals, Letztere aus dem eines Gitarrenklangs, dessen gesamtes Oszillogramm in Abb. 9 dargestellt wird. Die andere in sprachlichen Analysen vielleicht noch häufiger verwendete Darstellungsweise wird

Sonagramm

^oder

Spektrogramm

genannt. Es wird erstellt, indem eine komplexe Welle in ihre Komponenten (bei einem Klang im engeren Sinne in einen Grundton und in Obertöne) zerlegt wird.Auf dem Spektrogramm wird die Frequenzstruktur mit der Zeit in Beziehung gesetzt, wobei auf der Ordinate die Frequenz, auf der Abszisse die Zeit abgebildet wird. Die einzelnen Komponenten einer komple-xen Welle erscheinen auf einem solchen Diagramm als dunkle Stellen ^ˇ dabei gilt Folgendes:Je dunkler diese Stellen sind,desto größer ist schätzungsweise die Amplitude. Abb. 9 zeigt das Oszillogramm, Abb. 10 das Spektrogramm eines Gitarrenklangs.Wenn man die beiden Diagramme miteinander vergleicht, kann man Folgendes feststellen: Die großen Amplituden am Anfang (auf der linken Seite) des Oszillogramms bzw. die sich auf den gesamten dargestellten

spektra-Abb. 9 Oszillogram eines Gitarrenklangs

Abb. 10 Spektrogramm eines Gitarrenklangs

len Bereich erstreckenden Intensitätsgipfel des Spektrogramms deuten auf einen lauten und explosionsartigen Schall hin ^ˇwie beim Anschlagen einer Gi-tarrensaite. Die Abbildungen zeigen nach dem energiereichen Anfang eine all-mähliche Intensitätsreduktion, wie sie für den Abklingvorgang des Saitenklangs charakteristisch ist.

In document Phonetik und Phonologie des Deutschen (Pldal 49-54)