Für diverse Schallexperimente habe ich mir zwei günstige Stimmgabeln (Frequenz f = 528 Hz) gekauft.
Mit einer Smartphone-App kann man sehr einfach die Frequenzen der Stimmgabeln ermitteln:
In meinem Fall zeigte die App eine Frequenz um die 527 Hz an bei einer Nennfrequenz von 528 Hz:
Schwebung
Für das erste Experiment benötigt man zwei Stimmgabeln mit minimal unterschiedlicher Frequenz. Entweder sie besitzen ein kleines Δf von Haus aus oder man erwärmt eine der beiden Stimmgabeln mit einem Bunsenbrenner. Das Metall dehnt sich dadurch geringfügig aus und die Schenkel der Gabel werden etwas länger. Dadurch sollte sich die Frequenz reduzieren. In meinem Fall besaßen die beiden Stimmgabeln bereits einen kleinen Frequenzunterschied.
Stößt man beide leicht unterschiedliche Stimmgabeln an, so hört man einen Ton, welcher periodisch lauter und leiser wird. Es handelt sich dabei um eine sog. Schwebung. Überlagern sich zwei Schwingungen mit den Frequenzen f1 und f2, so entsteht eine neue Schwingung mit der mittleren Frequenz 1/2 · (f1 + f2). Die Amplitude dieser neuen Schwingung wird aber nun periodisch mit der Frequenz f1 – f2 größer und kleiner. Damit nimmt auch die Lautstärke periodisch mit f1 – f2 zu und ab. Beträgt etwa f1 = 528 Hz und f2 = 530 Hz, so hören wir einen Ton mit f = 529 Hz, welcher zweimal pro Sekunde lauter und leiser wird. Die Schwebungsfrequenz beträgt konkret 2 Hz.
Mit EXCEL lässt sich dies sehr schön simulieren:
Excel_Schwingung_x_Überlagerung
Resonanz
Beide Stimmgabeln schwingen bei ca. 528 Hz. Erregt man sie mit Schall zu Schwingungen, so haben sie logischerweise natürlich „ihre“ Frequenz am liebsten, also ebenfalls 528 Hz. In diesem Versuch werden wir eine Stimmgabel einmal mit 500 Hz anregen und dann mit 528 Hz. Im ersten Fall wird die Stimmgabel nicht in Schwingung versetzt, im zweiten sehr stark.
Mit einem Tischtennisball werden wird die unterschiedliche Anregung sichtbar machen. Dazu habe ich den Ball an einen dünnen Faden geklebt und dann den Ball so aufgehängt, dass er die Stimmgabel berührt.
Für die Schallerregung wird ein Funktionsgenerator, ein Verstärker und ein Lautsprecher benötigt. Diese Sachen befinden sich zum Glück bereits in meinem Fundus.
Bei f = 528 Hz beginnt sich der Tischtennisball stark zu bewegen, da die Stimmgabel in diesem Fall ebenfalls stark erregt wird.
Bei f = 500 Hz bleiben hingegen Stimmgabel und Tischtennisball ruhig.
Negativer Schalldruck?
Bei meiner nahezu täglichen Rundschau im Internet nach spannenden, neuen Physikprojekten bin ich auf ein sehr interssantes Experiment/Phänomen von Yuri Kovalenok gestoßen: https://www.instagram.com/jurij0001/?hl=de
Quelle: Facebook; jurij0001
Link: https://www.facebook.com/watch/?v=1508378211062658
Und zwar richtet er einen leistungsstarken Lautsprecher mit einem bestimmten Ton auf ein kleines Stück Styropor. Dieses wird aber nicht wie vermutet abgestoßen, sondern völlig magisch angezogen. Kann es quasi eine Art negativen Schalldruck geben?
Ich war natürlich gleich Feuer & Flamme und musste dieses Experiment ebenfalls durchführen. Man benötigt eigentlich nur
- einen Funktionsgenerator, eventuell reicht auch schon eine FG-App auf dem Smartphone
- ein ca. 50 W Verstärker
- ein ca. 50 W Lautsprecher
- ein Stück Styropor
Eine Frequenz um die 100 Hz hat sich bei mir am geeignetsten herausgestellt:
Der Mono-Leistungsaudioverstärker stammt von meinem Lieblingsgeschäft, Neuhold-Elektronik aus Graz:
Auch bzgl. Lautsprecher wurde ich bei Neuhold-Elektronik fündig:
Das kleine Stück Styropor:
Nun einige Gedanken zur Erklärung des Phänomens: Zuerst denkt man gleich irgendwie an stehende Wellen. Eine stehende Welle entsteht, wenn sich sich eine Welle ausbreitet und diese dann an einer Grenzfläche reflektiert wird und zurückläuft. Diese zurücklaufende Welle überlagert sich nun mit der originalen Welle und es kommt zu einer sog. stehenden Welle. Dabei bleiben die Schwingungsknoten und -bäuche ortsfest, d.h. sie wandern nicht wie es für eine Welle typisch ist. Aus die Druckbäuche und -knoten bleiben am selben Ort!
Betrachten wir den sinusförmigen Druckverlauf zum Zeitpunkt t = 0: Konkret wirkt auf der rechten Styroporseite ein Überdruck p1 und links vom Stück ein Überdruck p2 mit p2 > p1. Auf das Styroporstück wirkt also zum Zeitpunkt t = 0 eine Kraft nach rechts.
Eine halbe Periodendauer später, also zum Zeitpunkt t = τ/2 , ist der Druckverlauf genau gespiegelt. Auf der rechten Styroporseite wirkt nun ein Unterdruck p1 und auf der linken Seite ein stärkerer Unterdruck p2 mit p2 < p1. Es wirkt dann konkret eine Kraft F nach links! Im Laufe einer ganzen Schwingungsperiode τ müssten sich also die Drücke zeitlich gemittelt aufheben, sprich die durchschnittliche Kraft F gleich 0 sein. Demnach dürfte das Styroporstück sich nicht in eine Richtung bewegen sondern sollte stillstehen.
Ein weiterer Erklärversuch greift den sog. Schalldruck auf. Eine sich ausbreitende Welle übt einen gewissen Druck in Ausbreitungsrichtung aus. Demnach sollte sich das Styroporstück eigentlich vom Lautsprecher entfernen und nicht diesem näherkommen. Der Schalldruck scheidet daher als Erklärung aus. Bei der Durchführung des Experiments wird man feststellen, dass sich bei bestimmten Anordungen das Styropor tatsächlich vom Lautsprecher entfernt. Nur bei einigen Konstellationen ist das magische Verhalten der Annäherung/Anziehung zu beobachten.
Eine genaue Erklärung für dieses Phänomen habe ich leider im Moment (noch) nicht. Aber es hängt bestimmt mit dem speziellen Nahfeld im Bereich des Lautsprechers zusammen. In geringer Entfernung (= Nahfeld) zur schwingenden Lautsprechermembran kann es nämlich zu speziellen Effekten und Druckverläufen kommen, die dann eventuell eine Annäherung des Styroporstücks erklären könnten.
Wenn jemand von den Lesern dieser Homepage eine mögliche Erklärung hat, der möge diese bitte als Kommentar auf dieser Homepage verfassen. Die Kommentareingabe befindet sich unterhalb der News! Vielen Dank im voraus…
Wenn ich weitere Schallexperimente auf Lager habe, geht es hier weiter…
