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Der S. entsteht durch eine schwingende Bewegung (Oszillation, Vibration) elastischer Körper, welche sich auf die umgebende Luft
überträgt und in dieser bis zu unserm Ohr
[* 4] fortgepflanzt wird. Die Mitteilung einer schwingenden Bewegung
von Teilchen zu Teilchen, wobei jedes in der Fortpflanzungsrichtung später folgende Teilchen seine Oszillation etwas später
beginnt als das vorhergehende, heißt eine Wellenbewegung.
[* 5] Wird eine Stimmgabel angeschlagen, so nimmt sie, indem sich ihre
Zinken nach innen biegen, die
[* 2]
(Fig. 1) punktiert angedeutete Gestalt a' b' an, kehrt wieder in die Gleichgewichtslage
a b zurück, überschreitet dieselbe, biegt nun ihre Zinken nach auswärts (a'' b''), kehrt wieder zurück u. s. f.; jede Zinke
schwingt so zwischen zwei äußersten Lagen (a' und a'') nach denselben Gesetzen wie ein Pendel
[* 6] hin und her.
Die schwingende Zinke veranlaßt die ihr zunächst liegenden Luftteilchen, diese Bewegung nachzuahmen;
diese wirken ebenso auf die nächstfolgenden, und nach und nach wird eine ganze Reihe von Luftteilchen von der schwingenden
Bewegung ergriffen. In
[* 2]
Fig. 2 mögen die Punkte 1-12 die Ruhelagen von zwölf gleich weit abstehenden Luftschichten andeuten.
Wir betrachten dieselben in dem Augenblick, in welchem die Stimmgabelzinke a, nachdem sie zuerst von der
Gleichgewichtslage nach einwärts, dann nach auswärts und wieder zurück in die Gleichgewichtslage sich bewegt hat, gerade
im Begriff ist, wieder nach
Ebenso haben die Luftschichten 2, 3, 4... resp. nur 10/12, 9/12, 8/12... ihrer Schwingung ausgeführt und befinden sich sonach
im betrachteten Augenblick in den Stellungen, welche in der Zeichnung angegeben sind; die Luftschicht 6 z. B. hat erst 6/12
oder ½ Schwingung ausgeführt, nämlich von ihrer Ruhelage nach einwärts und wieder in die Ruhelage
zurück, und passiert also gegenwärtig ihre Ruhelage. Überblicken wir jetzt sämtliche gleichzeitige Stellungen der Luftschichten,
so ergibt sich, daß die Schichten zu beiden Seiten von 6, nämlich zwischen 3 und 9, näher zusammengerückt sind, als es
im Ruhezustand der Fall war, die Schichten von a bis 3 und von 9-12 aber weiter voneinander abstehen.
Zwischen 3 und 9 ist demnach die Luft verdichtet, und in 6 findet das Maximum der Verdichtung statt; von a bis 3 und von 9-12
ist die Luft verdünnt, und zwar befinden sich die Schichten bei a und bei 12 im Zustand der größten
Verdünnung. Schwingt nun die Stimmgabel z. B. um 1/12 Schwingung weiter, so setzt auch jede Luftschicht ihre Bewegung um 1/12
Schwingung fort; die Luftschicht 7 z. B. erreicht jetzt ihre Ruhelage, und die Schichten 6 und 8 nehmen in Bezug auf sie dieselben
Stellungen ein, welche 5 und 7 vorhin in Bezug auf 6 innehatten; die größte Verdichtung rückt daher
von 6 nach 7 und ebenso die stärkste Verdünnung von a nach 1 und von 12 nach 13 u. s. f.
Während also jedes Luftteilchen, ohne sich weit von seiner Gleichgewichtslage zu entfernen, in engen Grenzen
[* 9] hin- und herschwingt,
pflanzen sich Verdichtungen und Verdünnungen durch die Reihe der Luftteilchen fort, wie Wellenberge und
Wellenthäler über eine Wasserfläche hineilen, ohne die bloß auf- und abschwankenden Wasserteilchen mit sich fortzuführen.
Eine Verdichtung und die darauf folgende Verdünnung bilden Zusammen eine ganze Welle; der Abstand (a bis 12) von einer Verdünnung
bis zur nächsten oder von einer Verdichtung bis zur nächsten heißt die Wellenlänge. Die Wellenlänge
ist demnach diejenige Strecke, auf welche sich die schwingende Bewegung während der Dauer einer ganzen Schwingung fortpflanzt.
Bezeichnet man die Wellenlänge mit λ, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit mit v und die Schwingungsdauer mit t, so ist hiernach
λ = vt. Jede ganze Schwingung des vibrierenden Körpers erzeugt eine ganze Welle; ist daher n seine Schwingungszahl,
d. h. macht er n Schwingungen in einer Sekunde, so erzeugt er auch n Wellen,
[* 10] welche zusammen eine Strecke einnehmen gleich derjenigen
(v), auf welche sich die Bewegung während einer Sekunde fortpflanzt, d. h. es ist n λ = v.
Von einem schwingenden Punkt aus pflanzt sich der S. durch Luft von gleichmäßiger Beschaffenheit in konzentrischen Kugelschalen
fort, welche sich abwechselnd im Zustand der Verdichtung und der Verdünnung befinden; jeder Radius einer solchen kugelförmigen
Welle heißt ein Schallstrahl.
Die Reihe von Luftteilchen, deren
Bewegung wir vorhin betrachteten, bildet einen solchen Schallstrahl;
ihre Schwingungen erfolgen in der Längsrichtung des Strahls selbst und werden daher longitudinale oder Längsschwingungen
genannt. Da die innerhalb einer Kugelwelle bewegte Luftmasse im quadratischen Verhältnis ihres Radius wächst und sich demnach
die von der Schallquelle ausgehende Bewegungsenergie auf immer größere Luftmassen verteilt, so muß die Stärke
[* 11] des
Schalles mit wachsender Entfernung abnehmen, und zwar steht sie im umgekehrten Verhältnis des Quadrats der Entfernung. Wird
die allseitige Ausbreitung der Schallstrahlen verhindert, indem man z. B. den S. in einer cylindrischen Röhre sich fortpflanzen
läßt, so findet eine solche Schwächung nicht statt. Darauf beruht die Anwendung der Kommunikationsrohre (Sprachrohre) in
Gasthöfen, Fabriken, auf Dampfbooten etc.
Zur Fortpflanzung des Schalles ist die Luft oder ein andres materielles Mittel unbedingt erforderlich; im
leeren Raum pflanzt sich der S. nicht fort. Ein unter die entleerte Glocke der Luftpumpe
[* 16] gebrachtes Schlagwerk wird nicht gehört.
In verdünnter Luft, z. B. auf hohen Bergen,
[* 17] ist die Intensität des Schalles viel geringer als in Luft von gewöhnlicher Dichte.
Der S. pflanzt sich von unten nach oben, aus dichtern in dünnere Luftschichten, leichter und mit größerer
Stärke fort als von oben nach unten.
Daß Geräusche bei Nacht weiter und deutlicher gehört werden als bei Tag, erklärt sich daraus, daß die Schallstrahlen bei
Tag in den durch die Sonne
[* 18] ungleich erwärmten und daher ungleich dichten Luftschichten durch zahlreiche
Reflexionen geschwächt werden. Auch in flüssigen und festen Körpern pflanzt sich der S. fort. Ein Taucher hört, was am Ufer
gesprochen wird, und die leisesten Schläge an das Ende eines langen Balkens sind einem ans andre Ende gelegten Ohr vernehmbar.
Zur Ermittelung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles wurden an zwei Stationen, deren Entfernung
genau gemessen war, bei NachtKanonen in vorher verabredeten Zeitpunkten abgefeuert und an jeder Station die Zeit beobachtet,
welche zwischen dem gesehenen Lichtblitz und dem gehörten Knall verstrich. Dividiert man die gemessene Entfernung durch die
Anzahl der Sekunden, welche der S. brauchte, um sie zurückzulegen, so ergibt sich der Weg, den er in
einer Sekunde durchläuft. Das Bureau des longitudes fand 1822 nach dieser Methode 331,05 m, Moll und van Beek (1823) 332,26
m, neuere Versuche von Regnault ergaben 330,7 m bei 0°. Die Geschwindigkeit des Schalles wächst mit der
¶
Die Schallempfindungen sind sehr mannigfaltiger Art, und dem entsprechend ist unsre Sprache
[* 20] sehr reich
an Bezeichnungen, um die Qualität derselben auszudrücken. Man unterscheidet den Knall, das Geräusch, den Klang oder Ton. Ein
Klang entsteht durch eine regelmäßige periodische (schwingende) Bewegung des tönenden Körpers, während Geräusche durch
unregelmäßige nichtperiodische Bewegungen erzeugt werden. Man kann z. B. einen Klang hervorbringen durch Luftstöße, welche
nach gleichen Zeitabschnitten sich in derselben Weise wiederholen; dies geschieht vermittelst der Sirene,
[* 21] deren einfachste,
von Seebeck angegebene Form in einer kreisrunden Papp- oder Metallscheibe besteht, in welche mehrere konzentrische Reihen von
unter sich gleich weit abstehenden Löchern eingeschlagen sind.
Bläst man durch einen Federkiel gegen die innerste Lochreihe, während die Scheibe mittels einer Schwungmaschine
in rasche gleichmäßige Rotation versetzt wird, so wird dem aus dem Federkiel ausströmenden Luftstrom der Weg geöffnet,
sobald ein Loch vor seine Mündung tritt, dagegen versperrt, sobald ein undurchbohrter Teil der Scheibe dort ankommt. Die so
in gleichen Zwischenräumen aufeinander folgenden Luftstöße bringen in unserm Ohr die Empfindung eines
Klanges von bestimmter TonHöhe hervor.
Wird nun bei gleicher Drehungsgeschwindigkeit eine der äußern Lochreihen angeblasen, welche mehr Löcher enthält und deshalb
in der gleichen Zeit eine größere Anzahl von Luftstößen gibt, so beurteilen wir den jetzt gehörten Klang als höher gegen
den vorigen und erkennen daraus, daß ein Ton um so höher ist, je größer die in gleicher Zeit erfolgende
Anzahl seiner Bewegungsperioden oder je größer seine Schwingungszahl ist. Eine vollkommnere Sirene, welche durch den Luftstrom
selbst in Umdrehung versetzt wird, hat Cagnard-Latour ^[richtig: Cagniard-Latour] konstruiert.
[* 19]
Fig. 3 zeigt dieselbe in der noch mehr vervollkommten Gestalt, welche Dove ihr gegeben hat. Eine horizontale,
von vier Löcherreihen durchbohrte Metallscheibe d e dreht sich sehr leicht um eine vertikale Achse r q. Die Scheibe befindet
sich über einem cylindrischen Windkasten C, dessen Deckel von entsprechenden Löchern durchbohrt ist. Die Löcher des Deckels
sowohl als diejenigen der Scheibe sind mit entgegengesetzter Neigung schräg gebohrt, so daß der aus einem
Loch des Deckels schief austretende Luftstrom ungefähr rechtwinkelig gegen die Wände der Löcher der Scheibe stößt und dieselbe
dadurch in Umdrehung versetzt.
Jeder Lochreihe entspricht unter dem Deckel noch ein drehbarer Metallring mit ebensoviel Löchern wie die zugehörige Reihe;
diese Ringe können jeder für sich mittels federnder Stiftem no p entweder so gestellt werden, daß ihre undurchbohrten Teile
die Löcher des Windkastendeckels schließen, oder so, daß die Löcher eines Ringes mit den Löchern der zugehörigen Reihe
des Deckels korrespondieren. Durch
Drücken auf einen oder mehrere Stifte kann man daher nach Belieben
eine oder mehrere Lochreihen anblasen.
Der Windkasten wird mittels des Rohrs t auf einen Blasetisch aufgesetzt. Die Achse der rotierenden Scheibe trägt oben eine Schraube
ohne Ende s, welche in die Zahnräder eines Zählwerks eingreift, an dessen (in der
[* 19]
Figur nicht sichtbaren) Zifferblättern
die Anzahl der in beobachteter Zeit stattgehabten Umdrehungen abgelesen und danach die Schwingungszahl
für eine Sekunde bestimmt werden kann. Durch einen Druck auf den Knopf a kann das Zählwerk
[* 22] in Thätigkeit gesetzt, durch einen
Druck auf b wieder ausgeschaltet werden.
Die erste Lochreihe enthält 8, die zweite 10, die dritte 12, die vierte 16 Löcher. Wird die erste und
dann die vierte Lochreihe angeblasen, so erhält man zwei Klänge, welche in der Musik als Grundton (Prime) und Oktave bezeichnet
werden. Die Oktave macht also in derselben Zeit doppelt so viele Schwingungen als der Grundton. Werden beide Töne gleichzeitig
angeschlagen, so verschmelzen sie ungestört zu einer angenehmen Gehörempfindung: sie bilden eine Konsonanz.
Eine Konsonanz ist um so vollkommener, je einfacher das Verhältnis der Schwingungszahlen der beiden zusammenklingenden Töne
sich ausdrücken läßt. Oktave und Grundton bilden die vollkommenste Konsonanz, denn ihr Schwingungsverhältnis ist das denkbar
einfachste, nämlich 2:1. Die nächst vollkommene Konsonanz wird erhalten durch die erste und dritte Lochreihe;
Die vierte und dritte Lochreihe geben das Schwingungsverhältnis 16:12 oder 4:3, dasjenige der Quarte; wir bezeichnen die
Quarte von C mit F. Die dritte und zweite Reihe liefern das Verhältnis 12:10 oder 6:5. Wir nennen hier den höhern Ton die kleine
Terz des tiefern und bezeichnen ihn in Beziehung auf den Grundton C mit Es. Überblicken
wir vorläufig diese Reihe von Klängen, so erhalten wir, wenn die kleine Terz weggelassen wird, folgende Zusammenstellung,
wo unter der Bezeichnung des Klanges sein Schwingungsverhältnis zum Grundton angegeben ist: