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Was unser Gehör wahrnimmt, wenn es einen Ton erkennt, sind Schallwellen. Jede Schallquelle – sei das ein anderer Mensch, ein Musikinstrument oder ein rauschender Fluss – sendet Schallwellen aus, die von unserem Ohr aufgefangen werden. Die Schallquelle muss dazu in Schwingung sein: Ganz deutlich sieht man das zum Beispiel bei einer Gitarrensaite, die gezupft wird und danach während mehreren Sekunden in Bewegung bleibt (Wie funktioniert eine Gitarre?). Aber auch unsere Stimmbänder schwingen, wenn wir sprechen oder singen.
Wie gelangen aber die Schallwellen zu unserem Ohr? Dazu braucht es Luft, welche die Schallwellen überträgt. Luft besteht aus winzigen Gasteilchen, die sich frei bewegen können. Eine Schallwelle stösst die Teilchen an und bringt sie damit kurz aus ihrer Position. Jedes angestossene Molekül stösst daraufhin seine Nachbarn an. Wie beim Autoscooter geben die angestossenen Moleküle den Stoss an die Teilchen in ihrer Umgebung weiter, verlieren dabei einen grossen Teil ihrer Energie und kommen dadurch zur Ruhe. Durch diese Start- und Stoppbewegungen entstehen Schwankungen in der Luft, die sich von der Quelle ausgehend in alle Richtungen wellenartig ausbreiten.
Man kann sich diese Schwingungen auch vorstellen wie die Wellen, die entstehen, wenn man eine Wasseroberfläche mit einem Stock antippt. Es bilden sich an der angetippten Stelle Kreise, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Ungefähr so breitet sich auch der Schall aus – mit einem Unterschied: Die kreisförmige Welle auf dem Wasser stört fast nur die glatte Oberfläche des Sees, die Schallwelle in der Luft breitet sich jedoch in alle Richtungen aus, auch nach oben und nach unten. Im luftleeren Raum jedoch kann kein Schall transportiert werden; im Weltraum wäre deshalb für einen Astronauten kein Geräusch zu vernehmen, selbst wenn er seinen Helm abnehmen könnte.
Jeder Welle ihren Ton
Eine wichtige Eigenschaft von Schallwellen ist ihre Frequenz: Je schneller die Schallquelle schwingt, je höher also die Frequenz der ausgesendeten Wellen ist, desto höher klingt der Ton. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen. Die Flügel einer Mücke schwingen etwas 600-mal pro Sekunde, ihre Frequenz ist 600 Hz. Das Summen einer Biene klingt um einiges tiefer, weil ihre Flügel nur etwa 200 Mal pro Sekunde schlagen.
Beide Frequenzen sind für den Menschen gut hörbar. Die meisten Menschen können Töne mit Frequenzen zwischen 16 Hz und 16’000 Hz hören, obwohl manche (vor allem Kinder und Jugendliche) noch Frequenzen bis 20’000Hz wahrnehmen können. Darüber liegt ein Frequenzbereich, den man Ultraschall nennt. Obwohl Menschen keinen Ultraschall hören können, gibt es durchaus Tiere, die das können, zum Beispiel Fledermäuse.
Die Schallwellen erreichen unser Ohr über die Ohrmuschel und werden von dort in die Hörschnecke (Cochlea) geleitet. In der Hörschnecke können Schallwellen mit hohen Frequenzen in der Nähe des Eingangs am besten schwingen, tiefere Frequenzen schwingen jedoch weiter innen optimal. Feinste Haarzellen übertragen die Schwingungen auf Nervenzellen, welche den Reiz ans Gehirn weiterleiten. So werden unterschiedliche Tonhöhen erkannt.
Laut und leise
Wir hören nicht nur, welche Töne in einer Melodie gespielt werden, sondern auch, wie laut sie sind. Physikalisch gesehen entspricht die Lautstärke einer Schallwelle der Amplitude, das ist die maximale Auslenkung des schwingenden Gegenstands. Wie Wellen im Wasser werden auch Schallwellen immer schwächer, je weiter sie sich von der Schallquelle entfernen. Die Musik an einem Rock-Konzert ist also am lautesten, wenn man direkt vor dem Lautsprecher steht. Je weiter weg man geht, desto leiser wird die Musik. Hinter dem Lautsprecher hört man ebenfalls weniger, da die Lautsprecherwand die Wellen daran hindert, sich in diese Richtung auszubreiten.
Am Beispiel des Lautsprechers kannst du übrigens direkt spüren, was die Schallwellen mit der Luft anstellen! Wenn du zu nah an einem Lautsprecher stehst, aus dem laute Bässe und Schlagzeugrhythmen dröhnen, spürst du die Schallwellen körperlich: Jeder Schlag löst eine Art Flattern in deiner Brust aus – du schwingst mit den Schallwellen mit!
Mikrofone und Verstärker
Ohne technische Hilfsmittel würde man keine Band bis in die letzten Reihen hören – der Verstärker bringt die E-Gitarre erst richtig zum Rocken. Grundsätzlich wird der Schall in drei Schritten verstärkt:
- Ein Mikrofon registriert die eingehenden Schwingungen der Luft. Dies geschieht über eine Membran, welche die Schallwellen in ein elektrisches Signal übersetzt.
- Ein Aufnahmeteil verschlüsselt das elektrische Signal als Muster in einem Medium (z.B. auf einer Kassette, CD, digitaler Festplatte).
- Ein Abspielteil wandelt das verschlüsselte elektrische Signal wieder in eine Schallwelle um und schickt sie durch einen Lautsprecher hinaus in die Luft. Das Signal wird dabei verstärkt, zum Teil mehrmals, und zwar über sogenannte Transistoren.
Herzstück des Verstärkers: der Transistor
Das elektrische Signal, das vom Mikrofon an den Transistor gesendet wird, ist ziemlich schwach. Im Transistor wird der Strom um einen bestimmten Faktor verstärkt, der vom Aufbau des Transistors abhängig ist. In Verstärkern sind meist mehrere solche Transistoren eingebaut. Der letzte Transistor schickt den Strom zum Lautsprecher. Dort wird eine Membran zum Schwingen angeregt bringt die umliegende Luft zum Schwingen und schickt eine neue, lautere Schallwelle auf die Reise.
Der Verstärker einer E-Gitarre enthält zudem noch weitere Bauteile, die dem Gitarristen erlauben, die Klangfarbe und Verzerrung nach Bedarf einzustellen. Durch das Zusammenspiel all dieser Teile bekommt das Instrument erst den richtigen Sound (Wie baut man eine E-Gitarre?).
Eine akustische Gitarre hingegen besitzt einen Hohlraum, der als einfacher Verstärker wirkt. Das funktioniert so: Die schwingenden Gitarrensaiten regen den Vorderteil der Gitarre zum Schwingen an, welcher wiederum die Luft im Hohlraum in Schwingung versetzt. Die Amplitude der Schallwellen wird im Inneren des Hohlraums verstärkt. Dieser Vorgang wird Resonanz genannt. Daher nennt man den Hohlkörper der akustischen Gitarre auch Resonanzkörper.
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