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Ton, Klang, Geräusch

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Team Digital
Ton, Klang, Geräusch
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Grundlagen zum Thema Ton, Klang, Geräusch

Töne und Klänge in der Physik

Hast du dich schon einmal gefragt, warum sich eine Gitarre und ein Klavier unterschiedlich anhören, auch wenn man denselben Ton auf ihnen anschlägt? Das hat etwas mit dem Unterschied zwischen Ton, Klang und Geräusch zu tun. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen. Dazu solltest du schon wissen, was Schall ist.

Töne, Klänge und Geräusche


Was ist ein Ton?

Im Alltag benutzen wir die Wörter Ton und Töne häufig, um über Musik oder Musikinstrumente zu sprechen. Wenn wir in der Physik über Töne sprechen, müssen wir allerdings gut aufpassen! Denn in der Musik und der Physik gibt es unterschiedliche Definitionen des Begriffs Ton. Nach der physikalischen Definition bezeichnet man mit Tönen nämlich nur reine, periodische Sinusschwingungen. Solche Schwingungen kannst du zum Beispiel mit einer Stimmgabel erzeugen. Wenn du den Ton einer Stimmgabel mit einem Mikrofon aufnimmst, kannst du die Schwingung mit einem Oszilloskop (oder mit einem Programm auf deinem Computer) sichtbar machen. Das sieht dann folgendermaßen aus:

ton einer stimmgabel physik

Hier kannst du auch schon einige wichtige Größen des Tons erkennen. Die Höhe der Auslenkung, also die Amplitude, gibt an, wie laut ein Ton ist. Je größer die Amplitude, desto lauter ist der Ton.
Die Tonhöhe entspricht der Frequenz der Schwingung – also der Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Je höher die Frequenz, desto höher ist auch der Ton.
Die meisten Stimmgabeln schwingen beispielsweise mit einer Frequenz von $440~\pu{Hz}$. Das $\pu{Hz}$ steht für Hertz – so heißt die Einheit der Frequenz. Das bedeutet, dass die Zinken der Stimmgabel pro Sekunde $440$-mal schwingen. Der Ton mit dieser Frequenz heißt auch Kammerton a.

Wenn du nun ein hohes a auf der Gitarre spielst, klingt das anders. Das liegt daran, dass du gar keinen Ton, sondern einen Klang spielst. Schauen wir uns an, worin der Unterschied besteht.


Was ist ein Klang?

Bei einer Gitarre erzeugst du einen Klang, indem du eine Gitarrensaite in Schwingung versetzt. Spielst du beispielsweise ein hohes a mit einer Frequenz von $440~\pu{Hz}$, schwingt die Saite $440$-mal pro Sekunde. Es gibt aber einen großen Unterschied zur Stimmgabel: Die Gitarrensaite schwingt nicht nur in dieser Frequenz, sondern gleichzeitig in vielen anderen Frequenzen. Das hat verschiedene Ursachen: Zum einen schwingt die Saite nicht nur hin und her, sondern dehnt sich auch in der Länge. Zum anderen schwingt auch der Korpus oder Klangkörper der Gitarre. Und das ist auch so beabsichtigt (Bei guten Gitarren wird die Holzart sogar nach ihren akustischen Eigenschaften ausgewählt!). Was du nach dem Anschlagen einer Saite hörst, ist also eine Überlagerung von vielen verschiedenen Tönen. Dabei ist das hohe a der Grundton und alle anderen, überlagerten Töne sind die Obertöne. Wenn du einen Klang mit einem Mikrofon aufnimmst und am Oszilloskop oder Computer abbildest, sieht das ungefähr so aus:

klang physik gitarre

Die Kurve ist immer noch periodisch, aber es handelt sich durch die Überlagerung nicht mehr um einen reinen Sinus. Übrigens: Das ist auch der Grund, warum Instrumente unterschiedlich klingen. Wenn man beispielsweise ein hohes a auf einer Gitarre und einem Klavier spielt, hat der Grundton bei beiden eine Frequenz von $440~\pu{Hz}$. Aber beide Instrumente erzeugen unterschiedliche Obertöne – deswegen klingen sie unterschiedlich.


Was ist ein Geräusch?

Geräusche begegnen dir in deinem Alltag, aber auch in der Natur. Das Plätschern eines Baches ist zum Beispiel ein Geräusch. Wenn du ein Geräusch aufnimmst und am Computer abbildest, kannst du keine Regelmäßigkeiten mehr erkennen. Der Verlauf sieht dann zum Beispiel so aus:

geräusche physik

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Ton, Klang, Geräusch

Wusstest du, dass in der Antike PYTHAGORAS als der Erfinder der MUSIK galt? No way! Irgendwas mit Dreiecken, ok. Aber nicht sowas Geiles wie Musik. Dann überzeugt dich bestimmt auch nicht, dass man mathematisch ausrechnen kann, welche Töne gut zusammenklingen? Und dass das auch schon die Alten Griechen wussten? Da vergehen dir AUCH die Worte? Der freundliche Nerd hat Recht. Und auch wenn das Video nicht in erster Linie von Pythagoras handelt, erfährst du tatsächlich etwas darüber, wie man ausrechnen kann, was gut zusammenklingt. Das Thema des Videos ist nämlich "Ton, Klang, Geräusch – und was es mit der Frequenz auf sich hat". Wir erinnern uns: In einem ELONGATIONS-Zeit-Diagramm trägt man die momentane Auslenkung eines schwingenden Körpers wie einer Gitarrensaite oder einer Mikrofonmembran über der Zeit auf. Sichtbar machen kann man das, wenn man zum Beispiel ein Mikrofon an ein Oszilloskop anschließt. Die Amplitude, also die maximale Auslenkung, ist ein Maß für die Lautstärke des Schallsignals. Hier ist das linke Signal also leiser als das rechte. Wir können noch weitere Merkmale des Schallsignals aus der Darstellung entnehmen,nämlich die ART des Schallsignals und die TONHÖHE. Zunächst zur Art des Schallsignals: Diese gleichmäßige Kurve ist eine “SINUSKURVE”. Sie ist die Elongations-Zeit-Darstellung eines reinen Tons, wie ihn etwa eine Stimmgabel produziert. Diese Kurve ist immer noch periodisch, also wiederkehrend, aber nicht mehr sinusförmig. Sie ist die Darstellung eines KLANGS, wie ihn etwa ein Musikinstrument erzeugt. Er entsteht aus der Überlagerung mehrerer Töne. Hier ist die Schwingung unregelmäßig. Dies entspricht einem Geräusch. Dies entspricht einem Knall. Die anfänglich große Auslenkung schwillt schnell ab. Über die TONHÖHE lässt sich am besten anhand des reinen Tons sprechen:Die Schwingungsdauer Groß-T gibt an, wie lange eine vollständige Schwingung, also zum Beispiel von der Ruhelage über die POSITIVE Amplitude, die nächste Ruhelage und die NEGATIVE Amplitude bis zurück zur nächsten Ruhelage, dauert. In diesem Falle vergehen "null komma zwei" Sekunden, bis der schwingende Körper wieder im selben Schwingungszustand ist, das heisst, die Schwingungsdauer beträgt "null komma zwei" Sekunden. Das heißt, es finden fünf Schwingungen in jeder Sekunde statt. Dies, also die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, ist die FREQUENZ f der Schwingung.Sie ist der KEHRWERT der Schwingungsdauer. Je GRÖSSER die Frequenz, desto HÖHER ist der Ton.Die Einheit der Frequenz ist Hertz, benannt nach Heinrich Hertz, der als erster Mensch Radiowellen erzeugt hat. Wir überprüfen mal die Rechnung. Wir setzen für Groß-T "null komma zwei" Sekunden ein, schreiben diese als Bruch, bilden den Kehrwert, ersetzen noch die "eins durch Sekunde" durch Hertz und erhalten das erwartete Ergebnis: fünf Hertz. Wir haben bei der Definition des Schalls hervorgehoben, dass er mit den Ohren wahrnehmbar ist. Dies hat damit zu tun, dass unser Gehör nur für einen bestimmten Frequenzbereich empfindlich ist. Wir hören zwischen sechzehn Hertz und zwanzigtausend Hertz. Die fünf Hertz von eben hören wir noch gar nicht als Ton, sondern als Geklapper. Den Frequenzbereich unterhalb von sechzehn Hertz nennen wir INFRASCHALL. Auch wenn wir diese tiefen Vibrationen nicht hören können, nehmen wir sie insbesondere bei hohen Lautstärken (also großen Amplituden) unbewusst wahr. Man geht davon aus, dass sie sich eher negativ auf das Wohlbefinden des Menschen auswirken. Erzeugt werden sie zum Beispiel von Maschinen, Elefanten oder Giraffen. Mit ULTRASCHALL bezeichnen wir den Frequenzbereich ab zwanzigtausend Hertz. Du kennst Ultraschall aus der Medizin. Die dort benutzte Sonographie arbeitet mit Ultraschall, der im Körper reflektiert wird. Auch in der Musik spielt die Frequenz eine wichtige Rolle. Sicher hast du im Musikunterricht schon einmal etwas von Intervallen gehört.Darunter versteht man den Tonhöhenabstand zweier nacheinander oder gleichzeitig klingender Töne. Dies hier ist eine Oktave, nach oben , nach unten, gleichzeitig Dies hier ist ein sogenannte reine Quinte, von unten nach oben , von oben nach unten, gleichzeitig Dies hier eine reine Quarte. Nach oben, nach unten, gleichzeitig. Das kennst du vom Martinshorn der Feuerwehr. Das hier ist eine große Terz. Nach oben, nach unten, gleichzeitig. Aus diesen Intervallen werden unsere Tonleitern aufgebaut und sie spielen eine wichtige Rolle für Melodien. Wir empfinden sie als schön. Das Spannende ist, dass ihre Frequenzen in einem mathematischen Zusammenhang stehen. Bei einer Oktave hat der höhere Ton die doppelte Frequenz des tieferen Tons. Bei einer Quinte stehen die Frequenzen im Verhältnis drei zu zwei, bei einer Quarte im Verhältnis vier zu drei und bei einer großen Terz fünf zu vier. Für die anderen Intervalle gibt es ebenfalls solche ganzzahligen Verhältnisse der Frequenzen der beiden Töne. Man kann tatsächlich ausrechnen, was schön klingt. Cool, oder? Allerdings sollte man nicht vergessen, dass die Frage, was schön klingt, sehr von der kulturellen Prägung und den Hörgewohnheiten abhängt. In anderen als der westlichen Kultur gibt es ein anderes Verständnis von Harmonie und andere Tonleitern als bei uns. Selbst die mit bestimmten Zusammenklängen verbundenen Emotionen sind von Kultur zur Kultur verschieden. Aber wichtig ist Musik überall! Und wir fassen das Wichtigste zusammen. Anhand der Elongations-Zeit-Darstellung einer Schwingung kann die Art des Schallsignals bestimmt werden.Wir unterscheiden: Ton, Klang, Geräusch und Knall. Die Frequenz gibt an, wieviel Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Je größer die Frequenz, desto höher der Ton. Ihre Einheit ist ein Hertz, gleich eins durch Sekunde. Auch für die Musik spielt die Frequenz eine Rolle. Die Frequenzen der Töne der üblichen Intervalle, die wir als schön empfinden, stehen in ganzzahligen Verhältnissen zueinander. Gut, und jetzt rechnen wir die Frequenz der Quarte zum Kammerton A bei vierhundertvierzig Hertz aus Lass gut sein ich hör’s lieber!

7 Kommentare
7 Kommentare
  1. Gut diese Viedeo 👍🏼

    Von Anonym, vor etwa 2 Monaten
  2. Zum Schluss fand ich lustig

    Von Sofatutorstern, vor 3 Monaten
  3. Gutes Video!

    Von Sofatutorstern, vor 3 Monaten
  4. no Way dude!! Xdd

    Von Noah, vor 9 Monaten
  5. Danke euch ich habs jetzt endlich verstanden

    Von BOMBOKLAT, vor 10 Monaten
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Ton, Klang, Geräusch Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Ton, Klang, Geräusch kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe wichtige physikalische Größen einer akustischen Schwingung.

    Tipps

    Für die Frequenz $f$ und die Schwingungsdauer $T$ gilt folgender Zusammenhang:

    ${f}$ = $\dfrac{1}{T}$

    Laute Töne haben eine große Amplitude.

    Lösung

    Suche dir als Erstes einen Satzanfang auf der linken Seite heraus und ordne dann das dazugehörige Satzende auf der rechten Seite zu.

    Folgende Zuordnungen sind richtig:

    • Die Amplitude $y$ gibt an, wie laut ein Ton ist.
    • Die Schwingungsdauer $T$ gibt an, wie lange eine vollständige Schwingung dauert.
    • Die Frequenz $f$ gibt an, wie hoch ein Ton ist.
    • Der Kehrwert der Schwingungsdauer $T$ beschreibt die Frequenz $f$ einer Schwingung.

  • Entscheide, welche Art des Schallsignals dem jeweiligen Diagramm zugeordnet werden kann.

    Tipps

    Der reine Ton ist eine Sinusschwingung.

    Das Geräusch ist nicht periodisch.

    Beim Knall erhöht sich kurzzeitig die Amplitude, die jedoch ganz schnell wieder abfällt.

    Lösung

    Die grafischen Darstellungen zeigen die Lösung dieser Aufgabe:

    • Der reine Ton ist eine Sinusschwingung. Diese ist immer periodisch (wiederkehrend).
    • Der Klang ist nicht mehr sinusförmig, aber trotzdem periodisch. Er entsteht aus der Überlagerung mehrerer Töne.
    • Eine unregelmäßige Schwingung (nicht sinusförmig und nicht periodisch) wird als Geräusch bezeichnet.
    • Beim Knall ist nur eine große Auslenkung zu beobachten, die jedoch sofort wieder abschwillt.

    Schaue dir alles noch einmal in den Bildern an.

  • Gib an, welche Aussagen zum Schall richtig sind.

    Tipps

    Infraschall kann von Maschinen ausgesendet werden und führt beim Menschen öfters unbewusst zu Unwohlsein.

    Der Frequenzbereich des Ultraschalls beginnt direkt nach dem für Menschen hörbaren Bereich.

    Lösung

    Der Bereich des Infraschalls beginnt bereits bei $\pu{16 Hz}$. Infraschallsignale werden beispielsweise von Maschinen erzeugt. Wir können diese mit unserem Körper unbewusst wahrnehmen, aber nicht hören. Ist der Ton sehr laut, empfinden wir das aber als sehr unangenehm.
    Ultraschallsignale sind sehr hohe Töne. Diese passen wohl besser zu einer Maus als zu einem Elefanten.


    Folgende Aussage sind richtig:

    • Menschen können Frequenzen zwischen $\pu{16 Hz}$ und $\pu{20000 Hz}$ hören.
    • Der Frequenzbereich unter $\pu{16 Hz}$ wird als Infraschall bezeichnet.
    • Fledermäuse nutzen Ultraschallsignale, um sich in der Umgebung zu orientieren.

    Folgende Aussagen sind falsch:

    • Infraschall kann der Mensch unbewusst mit seinem Körper wahrnehmen und sich gut dabei entspannen.
    • Elefanten und Giraffen können Ultraschallsignale aussenden.
    • Der Frequenzbereich über $\pu{30000 Hz}$ wird als Ultraschall bezeichnet.

  • Vervollständige die gegebenen Intervalle mit den Verhältnissen ihrer Tonfrequenzen.

    Tipps

    Bei einer Oktave ist der höhere Ton doppelt so groß wie der tiefere Ton.

    Bei einer großen Terz verhält sich die Frequenz des oberen Tons zur Frequenz des unteren Tons wie $5 : 4$.

    Lösung

    Wenn du dir die Reihenfolge der Begriffe so merkst, kannst du dir die Verhältnisse gut ableiten.


    Reihenfolge:

    • Oktave
    • Quinte
    • Quarte
    • große Terz

    Die erste Zahl des Verhältnisses beginnt bei der Oktave mit $2$ und wird dann weiter durchnummeriert:

    • Oktave: $2$
    • Quinte: $3$
    • Quarte: $4$
    • große Terz: $5$

    Die zweite Zahl des Verhältnisses beginnt bei der Oktave mit $1$ und wird dann auch weiter durchnummeriert:

    • Oktave: $2 : 1$
    • Quinte: $3 : 2$
    • Quarte: $4 : 3$
    • große Terz: $5 : 4$

    Und schon ist der Esel über die Brücke gelaufen ...

  • Gib an, auf welchen Bildern gerade ein Klang oder ein Knall erzeugt wird.

    Tipps

    Ein Klang wird zum Beispiel durch ein Musikinstrument erzeugt.

    Eine Explosion erzeugt einen Knall.

    Zum Tanzen wird meistens Musik gespielt.

    Lösung

    Suche zunächst alle Bilder heraus, auf denen du Musikinstrumente siehst oder erkennst, dass Musik den Raum erfüllt.


    Du findest:

    • eine Band mit Schlagzeug und Gitarre und
    • die Tanzenden, bei denen durch die Noten angedeutet ist, dass sie sich zu einer Musik bewegen.

    Nun kannst du nach allen Bildern schauen, die noch übrig sind:

    • Fische können wir nicht hören.
    • Bei dem Fahrradfahrer platzt gerade kein Reifen.
    • Der Löwe sitzt brav im Park und ist ganz still.

    Es bleibt somit nur noch:

    • das explodierende Glas
    Dieses verursacht garantiert einen großen Knall.

  • Berechne die Frequenzen einer Quarte des Kammertons $a$ nach oben und nach unten.

    Tipps

    Die Töne einer Quarte haben nach unten ein Verhältnis von $3:4$.

    Du musst die Frequenz des Kammertons $a$ mit $\dfrac{4}{3}$ multiplizieren, wenn du den oberen Ton der Quarte erhalten willst.

    Lösung

    Der Kammerton $a$ hat eine Frequenz ${f}$ von $\pu{440 Hz}$. Das kannst du auch in einer Tabelle nachschauen.

    Die Töne einer Quarte haben nach oben ein Verhältnis von $4:3$. Zur Bestimmung der Frequenz ${f}$ des oberen Tons musst du daher rechnen:

    ${f_{oben}} =\dfrac{4}{3} \cdot f \approx \pu{587 Hz}$

    Die Töne einer Quarte haben nach unten ein Verhältnis von $3:4$. Zur Bestimmung der Frequenz ${f}$ des unteren Tons musst du rechnen:

    ${f_{unten}} =\dfrac{3}{4} \cdot f = \pu{330 Hz}$

    Wenn du willst, dann kannst du in einer Frequenztabelle außerdem noch herausfinden, welche Töne sich hinter diesen Frequenzen verbergen.