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Physik | Technik
Laura Villiger, 2003 | Binningen, BL
Kombinationstöne treten auf, wenn zwei oder mehr Töne gleichzeitig erklingen. Sie werden vom Hörer meist als ein tiefes Brummen wahrgenommen. Was genau Kombinationstöne sind und wie diese entstehen, wird in dieser Arbeit untersucht. Dabei werden alle drei möglichen Arten der Entstehung (extra-aural, intra-aural und neuronal) erläutert, der Fokus liegt jedoch auf der extra-auralen Entstehungsweise, da im praktischen Teil der Arbeit das Auftreten von extra-auralen Kombinationstönen beim Spielen einer Violine analysiert wird. Besonders wird auf die Frage des Entstehungsortes der extra-auralen Kombinationstöne eingegangen, denn aus den verwendeten Quellen kann nicht eindeutig geschlossen werden, ob extra-aurale Kombinationstöne am Instrument, in der Luft oder an beiden Orten entstehen. lm theoretischen Abschnitt wird zuerst die Berechnung von Kombinationstonfrequenzen erklärt und wie Kombinationstöne aufgrund ihrer Berechnungsart in verschiedene Ordnungen kategorisiert werden. Anschliessend wird erläutert, wie die Hörbarkeit der Kombinationstöne beeinflusst werden kann. Des Weiteren wird die Geschichte der Kombinationstöne von ihrer Entdeckung bis heute kurz dargelegt. Der praktische Teil der Arbeit ist in Versuchsaufbau, Auswertung, Ergebnisse und Diskussion unterteilt.
Fragestellung
Wie entstehen Kombinationstöne bei der Violine und können diese ausserhalb des Ohres nachgewiesen werden?
Methodik
Um Kombinationstöne nachzuweisen und ihre Entstehung zu untersuchen, wurden einerseits auf einer Violine zwei Töne gleichzeitig gespielt und andererseits auf zwei Violinen je ein Ton gleichzeitig gespielt. Dieser Versuch wurde mit verschiedenen Intervallen in den schalltoten Räumen der Empa und des METAS durchgeführt. Die Aufnahmen wurden in das Programm Audacity geladen, dort konnte für jedes Intervall ein Frequenzspektrum erstellt werden. Die erstellten Spektren wurden anschliessend auf Kombinationstöne untersucht. Um eine Aussage über die verschiedenen Häufigkeiten treffen zu können, wurden die Anzahl der Kombinationstöne in einer Tabelle erfasst und ausgezählt.
Ergebnisse
Beim Versuch mit einer Violine waren bei jeder Aufnahme Kombinationstöne nachweisbar. Dabei nahm die Häufigkeit der gemessenen Kombinationstöne mit steigender Ordnung tendenziell ab. Eine Analyse der Lautstärken der nachgewiesenen Kombinationstöne brachte keine neuen Erkenntnisse, vermutlich weil die Primärtonlautstärken stark variierten. Beim Versuch mit zwei Violinen konnten keine Kombinationstöne nachgewiesen werden.
Diskussion
Die Ergebnisse zeigen, dass extra-aurale Kombinationstöne nachweisbar sind. Jedoch ist die Frage nach dem Entstehungsort immer noch nicht eindeutig geklärt. Auch wenn die Ergebnisse darauf hindeuten, dass die nachgewiesenen Kombinationstöne von der Violine verursacht wurden, so kann keine klare Aussage über die Luft als Kombinationstonverursacher getroffen werden, denn die Schallintensität nimmt mit dem Abstand von der Schallquelle im Quadrat ab. Die im Experiment verwendeten Abstände zwischen den Violinen und dem Mikrofon waren vielleicht einfach zu gross. Um hier eine eindeutige Aussage machen zu können, könnte zum Beispiel ein Versuch mit zwei Lautsprechern, die möglichst nahe beieinander platziert werden und möglichst laute Töne verursachen, weitere Erkenntnisse bringen. Was jedoch stark darauf hinweist, dass die Violine selbst Kombinationstöne verursacht, ist dass diese mit einem Kontaktmikrofon an der Violine nachgewiesen werden konnten.
Schlussfolgerungen
Kombinationstöne sind ein Themengebiet, das noch viel Raum für weitere Forschungsarbeiten bietet. Die vorliegende Arbeit untersuchte vermutlich erstmals das Vorkommen von Kombinationstönen in Abhängigkeit von der Ordnungszahl. Zusätzlich deuten die Kontaktmikrofonmessungen stark darauf hin, dass die Violine selbst Kombinationstöne erzeugt.
Jedoch sind noch weitere genauere Untersuchungen nötig, um mehr über die Lautstärke oder den genauen Entstehungsort und -mechanismus herauszufinden.
Würdigung durch den Experten
Simon Wili
Mit grossem Einsatz bearbeitete Laura Villiger ihre wissenschaftliche Fragestellung.
Dabei gelang es ihr, sowohl die EMPA als auch das METAS für ihr Forschungsprojekt zu begeistern.
Ihr Versuchsaufbau ist jener einer aktuellen Publikation, der modifiziert und erweitert wurde.
Nebst den Erweiterungen im Aufbau wurde der Fokus in der Analyse der Daten auf neue, interessante Aspekte gelegt.
Zwar wurde die Frage nach dem Entstehungsmechanismus der Kombinationstöne nicht abschliessend geklärt,
dennoch liegen Messergebnisse vor, die neue Erkenntnisse liefern und eine gewisse Aussagekraft haben.
Prädikat:
sehr gut
Sonderpreis Schweizerische Physikalische Gesellschaft – Jugendpreis der SPG
Gymnasium Oberwil
Lehrer: Nils Detlefsen