Referat Musik und physik - der schall

MUSIK UND PHYSIK

von Kathrin Lauer und Nicole Pauli

Um Musik hörbar zu machen, bedarf es entsprechender Geräte - der Musikinstrumente. Ob es die einfachsten sind wie Klappen oder Rasseln, die der Mensch schon in vorgeschichtlicher Zeit handhabte, oder Entwicklungen der elektronischen Industrie:

Sie alle unterliegen den Gesetzen der Physik und bedienen sich, abhängig von ihrer

Entstehungszeit, den entsprechen Errungenschaften der Technik.

DER SCHALL

Als Schall bezeichnet man Schwingungen oder Wellen, die bei Mensch oder Tier über den Gehörsinn Geräuschempfindungen auslösen können. Das menschliche Ohr ist in der Lage, Schall mit Frequenzen zwischen 15 Hertz und 20 00 Hertz wahrzunehmen. Die Frequenz beschreibt in der Physik eine Größe, die angibt, wie oft eine Schallwelle in einer Sekunde schwingt. Sie wird in der Einheit Hertz, Abkürzung Hz angegeben. Schallwellen sind geringfügige Luftdruckschwankungen oder Schwingungen, die sich in der Luft oder einem anderen Gas ausbreiten. In trockener Luft und bei einer Temperatur von *C beträgt die Schallgeschwindigkeit 331,6 Meter pro Sekunde. Schallwellen sind longitudinale Wellen (Längswellen). Während sich die Energie der Wellenbewegung von der Schallquelle nach außen ausbreitet, bewegen sich die einzelnen Moleküle der Luft parallel zur Ausbreitungsrichtung der Wellen, also longitudinal. Damit stellt eine Schallwelle eine bestimmte Folge von Drückänderungen dar. Jedes Molekül gibt beim Stoß etwas Energie an das Nachbarmolekül weiter und befindet sich danach praktisch wieder am gleichen Ort wie zuvor.

Jedes einfache Schallereignis, zum Beispiel ein auf einem Musikinstrument gespielter

Ton, kann mit Hilfe von drei Eigenschaften vollständig beschrieben werden: Tonhöhe, Intensität und Klangfarbe. Diese Charakteristika entsprechen den physikalischen Größen Frequenz, Amplitude und Wellenform bzw. harmonische Zusammensetzung.

Amplitude:

Die Amplitude entspricht der Stärke der Luftdruckschwankungen. Je größer die Amplitude ist, desto stärker sind die Druckunterschiede am Trommelfell im Ohr, und desto lauter empfindet man den Ton oder das Geräusch.

Intensität:

Die Tonintensität gibt an, in welcher Entfernung von seiner Quelle ein Ton noch hörbar ist. Die Maßeinheit ist Dezibel, Abkürzung dB, mit der der Schalldruck als logarithmische Gr e erfaßt wird. Das menschliche Ohr empfindet daher eine Zunahme der Lautstärke von etwa fünf Dezibel bereits als doppelt so  laut. Beispielsweise haben Wellen am Strand eine Tonintensität von ungefähr 40 dB, ein Staubsauger läßt gut das Doppelte erklingen, während ein Düsentriebwerk das menschliche Ohr mit 110 dB belastet. Die Schmerzgrenze liegt bereits bei 120 dB.

Klangfarbe:

Erzeugt man den Kammerton a mit einer Frequenz von 440 Hz mit einer Geige, mit einem Klavier und einer Stimmgabel, und zwar jeweils in der gleichen Lautstärke, dann haben die drei Töne die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude. Dennoch unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Klangfarbe voneinander. In diesem Beispiel wird der reinste Ton von der Stimmgabel abgegeben. Er besteht praktisch nur aus einer Schwingung mit der Frequenz 40 Hz. Im Gegensatz dazu enthält die Schwingung eines Klaviers oder einer Geige Anteile mit höheren Frequenzen, darunter das Vielfache der Frequenz des Kammertons a, das heißt von 440 Hz: 80 Hz, 1320 Hz und 17 0 Hz. Man nennt diese h heren Töne, die ein musikalischer Ton neben seiner eigentlichen

Frequenz, dem Grundton, enthält, Obertöne oder - häufiger - Harmonische des Grundtons. Die Intensitäten der Komponenten mit h heren Frequenzen, also die Intensitäten der Obertöne, bestimmen die Klangfarbe des jeweiligen Tones.

Sprache  stellt ein komplexes Schallgemisch dar, bei dem viele, aber nicht alle, Frequenzen in harmonischer Beziehung zueinander stehen. In Geräuschen oder Lärm sind meist noch viel mehr Frequenzen enthalten.

ZUR GESCHICHTE DER INSTRUMENTALMUSIK

Die Instrumentalmusik ist die ausschließlich mit Musikinstrumenten auszuführende Musik im Gegensatz zur Vokalmusik. Instrumentalmusik im weiteren Sinne gibt es seit der Erfindung der Musikinstrumente in europäischer und außereuropäischer Musik. Die Instrumentalmusik ist im engeren Sinne abendländischer Kunstmusik erst seit dem 16. Jahrhundert

Die vom Frühchristentum bis um 10 0 n. Chr. aus dem Kult verbannte Musik fand mit

Orgeln zunehmend Eingang in den Kirchenraum; daneben gab es eine eigene Tradition von Instrumentalmusik bei den Gauklern; Spielleuten und den späteren Stadtpfeifern. Seit der Mitte des 15. Jahrhunderts werden in Orgeltabulaturen Vokalwerke, aufgezeichnet und belegen damit die Verwendung von Instrumenten bei deren Aufführung. Diese Praxis führte im 1 . und vor allem im 1 . Jahrhundert zur Ausbildung eigener Instrumentalformen. Aus den Bereichen von Tafel und Tanz löste sich die Instrumentalmusik mit ihrer gegenüber der Vokalmusik gewonnenen Autonomie im Laufe des 18. Jahrhunderts und entwickelte die eigenen Gattungen der Klavier-, Kammer-, und Orchestermusik. Spätestens seit der Wiener Klassik wird Instrumentalmusik zum Inbegriff "autonomer" Musik; diese Vorrangstellung ist ihr bis ins 2 . Jahrhundert erhalten geblieben. In der elektronischen Musik ist der Gegensatz vokal-instrumental aufgehoben.

INSTRUMENTE UND IHRE FUNKTIONSWEISEN AEROPHONE

Aerophone sind alle Musikinstrumente mit schwingender Luft als Tonerzeuger, und zwar meist eine begrenzte Luftsäule, aber auch ein unbegrenzter Luftstrom. Die meisten Aerophone sind Blasinstrumente, wo die Luft direkt angeregt wird. Aber auch Orgeln und Akkordeon sind - aufgrund mechanischer Luftversorgung - Aerophone.

Blechblasinstrumente

Blechblasinstrumente wird in der Musikpraxis die Gruppe der Instrumente aus Metall mit Kesselmundstück genannt, die der Gruppe der Holzblasinstrumente gegenübersteht. Beispiele: Posaune, Tuba, Trompete, Horn, etc.

Funktionsweise: Blechblasinstrumente erzeugen den Ton durch die  elastisch gespannten Lippen des Bläsers, die den Atemstrom periodisch unterbrechen:

Wird ein Druckimpuls gebildet (man bläst in das Instrument), pflanzt sich die Störung im

Inneren bis zum entgegengesetzten Ende fort. Dies geschieht mit einer geringeren Geschwindigkeit als im freien, ungestörten Raum, weil die Wandreibung bremsend wirkt. Sobald der Impuls vom Rohr nach außen gelangt, hört die Bremswirkung auf, und es kommt zu einem Sprung der Schallgeschwindigkeit. Da der Impuls in ein neues Medium eintritt wird er gebrochen, tritt nur teilweise in das andere Medium über und ändert dabei seine Richtung. Der restliche Teil kehrt in das erste Medium zurück und bildet den entgegengesetzten, aber gleich großen Winkel wie der einfallende Luftstrahl (Reflexion). Damit nimmt er den Weg zum Mundstück in umgekehrter Richtung wieder auf. Wenn zur

gleichen Zeit ein neuer Impuls entsteht, treffen sich die jeweiligen Luftteilchen in der Mitte. Es kommt zu einem Druckmaximum. Die Teilchen stoßen komprimierend aufeinander und entfernen sich schließlich voneinander in der gleichen Richtung wie vorher; es entsteht ein Druckminimum. Der Impuls l uft zweimal durch das Rohr (hin und zurück). Im selben Augenblick wird ein neuer Impuls erzeugt, der den zurückgeworfenen Luftstrahl verstärkt. Wenn dies in gleichmäßigen Abständen passiert, wechseln sich Druckminimum und -maximum in der Mitte des Rohres periodisch ab. Dadurch wird der Grundton erzeugt.

Der Bläser kann durch Veränderung der Lippenspannung Quinten, Quarten und

Dreiklänge auf den Grundton spielen. Eine Tonhöhenveränderung läßt sich durch Verlängerung bzw. Verkürzung der Rohrlänge erreichen: Durch Einsatz zusätzlicher Rohrstücke von Hand (Inventiontshorn), durch Ineinanderschieben der Röhren (Zugposaune) oder durch Betätigung von Ventilen, die Rohrverlängerungsstücke ein- und ausschalten.

Holzblasinstrumente:

Zu dieser Gruppe gehören Flöten- und Rohrbalttinstrumente. Die Instrumente waren früher vorwiegend aus Holz gefertigt, sind heute jedoch oft aus Metall.

Beispiele: Querflöte, Fagott, Oboe, Klarinette, Saxophon

Funktionsweise:

Flöte: Beim Anblasen wird ein Luftstrom gegen eine scharfe Kante geführt, wodurch die im Rohr befindliche Luft in Schwingung versetzt wird. Ein Wechsel der Tonh he wird teils durch Veränderung der Rohrlänge mittels Öffnen und Schließen von Grifflöchern, teils durch Überblasen erreicht.

Rohrblattinstrumente: Das Rohrblatt aus zwei Schilfrohr-Zugen am Mundstück wird durch den Blasstrom in Schwingungen versetzt.

CHORDOPHONE

Zu der Gruppe der Chordophone gehören die Instrumente, bei denen der Ton durch das Streichen (Streichinstrumente), Anreißen (Zupfinstrumente) oder Schlagen (Hammerklavier) gespannter Saiten erzeugt wird.

Streichinstrumente:

Das sind Musikinstrumente, die mit einem Bogen angestrichen werden. Sie stammen wahrscheinlich aus Mittelasien und breiteten sich ab dem 0. Jahrhundert zunehmend in Europa aus. Mit der Violinfamilie bilden sie bis heute den Grundbestand des europäischen Orchesters. Klangstärke und Klangfarbe eines Chordophons h ngen vor allem vom Resonanzkörper ab, in dem Luft zum Schwingen gebracht wird. Zu den Streichinstrumenten gehören Violine, Viola, Violoncello und Kontrabaß.

Funktionsweise: Mit dem Bogen werden die vier in Quinten gestimmten Saiten durch Reiben zum Schwingen gebracht. Der Resonanzkörper wird der Ton verstärkt. Sie unterscheiden sich durch die unterschiedliche Stimmung der Saiten und die Größe.

Die Tonhöhenveränderung wird erreicht, indem die Finger in Ganz- oder

Halbtonschritten auf die Saite gesetzt werden und damit die Saite verkürzen. Die kürzere Seite ist dafür verantwortlich, daß die Welle kleiner ist und schneller schwingen muß. Dadurch wird der Ton erhöht.

Bei Zupfinstrumenten (Beispiele: Gitarre, Harfe, Zither, Laute, etc.) wird der Ton ähnlich erzeugt wie bei den Streichinstrumenten. Ein Unterschied ist, daß die Saite gezupft wird, und dadurch der Ton schneller verklingt.

Auch das Klavier ist ein - und wahrscheinlich auch das berühmteste -

Saiteninstrument. Die Saiten werden über Tasten mit Hämmerchen angeschlagen.

IDIOPHONE

Idiophone sind Instrumente, bei denen der schwingende Instrumentenkörper selbst - und nicht etwa eine Membran oder eine Saite - den Ton erzeugt. Idiophone können durch schlagen, Schütteln, Zupfen, Schrapen und Reiben zum Schwingen gebracht werden. Nach dem Material werden Idiophone aus Stein (Litophone), Holz Xylophon), Metall (Metallophone) oder Glas (Glasspiel) unterschieden.

Beispiele: Kastanietten, Becken, Triangel, Glockenspiel, etc.

MEMBRANOPHONE

Membranophone sind Instrumente, bei denen der Klang durch Schwingungen gespannter Membranen (Haut, Fell) erzeugt wird. Die Schwingungen werden durch Schlagen (Trommel, Pauke), Reiben (Reibtrommel) oder Ansingen (Mirliton) angeregt. Beispiele: Bongos, Militärtrommel, Congas, etc.

MUSIK IM DEUTSCHEN MUSEUM

Die Ausstellung der Musikinstrumente gliedert sich nach Merkmalen der Tonerzeugung. So gibt es fünf Räume. Man findet vor allem Instrumente aus den vergangenen Jahrhunderten.

Vorraum: Harfen und Hackbretter

Musiksaal: Tasteninstrumente (die Thalkirchener Orgel von 1 30, die 1995 erbaute

Bachorgel, etc ); auf diesen Instrumenten finden regelmäßig Konzerte statt

folgender Raum: Schlag-, Streich-,    Zupf- und Blasinstrumente (sehr schöne außereuropäische Zupfinstrumente, Violen, eine Gambe von 1701, etc.)

Raum der Musikautomaten: automatische Klaviere, Spielwerk mit Volgestimmen, und

elektronische Musikinstrumente (zahlreiche Elektro-Orgeln, Synthesizer Mini-Moog und

Yamaha DX 7, etc )

Der letzte Raum dieser Abteilung ist der musikalischen Akustik gewidmet: nur mit Anmeldung ist Besichtigung möglich, vielfältiges Angebot an Experimenten: mit Raumechos experimentieren, die eigene Stimme analysieren lassen, etc.)