Forum: Offtopic Schall in verschiedenen Medien


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von Mathias B. (dedi)


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Hey Leute,

ich habe mal eine Frage an euch. Ich denke dass jeder den Versuch kennt, 
in dem man Helium einatmet und auf einmal die Stimme hoch klingt.

Ich habe jetzt zwei Fragen an euch. Nehmen wir mal an, ich hätte einen 
Raum, der mit Helium gefüllt ist. In diesem Raum ist ein Lautsprecher. 
Jetzt lege ich an den Lautsprecher 440 Hz an. Ist der Ton, den man hört, 
höher als bei normaler Luft?

Und die zweite Frage wäre, nehmen wir einfach mal an, ich hätte einen 
Raum, der unten mit Luft voll ist und oben mit Helium oder Wasserstoff 
(höhere Schallgeschwindigkeit). Jetzt wird unten ein Ton erzeugt. Wird 
sich der Ton genauso nach oben ausbreiten oder würde sich (aufgrund der 
höheren Schallgeschwindigkeit) der Ton sich ändern?

von Jens G. (jensig)


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>ich habe mal eine Frage an euch. Ich denke dass jeder den Versuch kennt,
>in dem man Helium einatmet und auf einmal die Stimme hoch klingt.

Ja.

>Ich habe jetzt zwei Fragen an euch. Nehmen wir mal an, ich hätte einen
>Raum, der mit Helium gefüllt ist. In diesem Raum ist ein Lautsprecher.
>Jetzt lege ich an den Lautsprecher 440 Hz an. Ist der Ton, den man hört,
>höher als bei normaler Luft?

Nein.

>Und die zweite Frage wäre, nehmen wir einfach mal an, ich hätte einen
>Raum, der unten mit Luft voll ist und oben mit Helium oder Wasserstoff
>(höhere Schallgeschwindigkeit). Jetzt wird unten ein Ton erzeugt. Wird
>sich der Ton genauso nach oben ausbreiten oder würde sich (aufgrund der

Mehr oder weniger ja. Es wird zwar eine "Schallbrechnung" geben (wie 
Lichtbrechung), wenn der Schall schräg durch die Grenzschicht geht, aber 
die Frequenz ändert sich wie die Lichtfarbe nicht.

>höheren Schallgeschwindigkeit) der Ton sich ändern?

Nein.

: Bearbeitet durch User
von Teo D. (teoderix)


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Höhere Schallgeschwindigkeit -> Höhere Resonanzfrequenz (im Rachenraum) 
-> Höhere Stimmlage.

Gilt also auch für Räume. Räume haben aber Wände und erst durch dies 
kommt es zur Resonanz. Es kommt also durchaus zur Tonänderung aber eben 
nicht alleine durch ein anderes Medium. Sondern erst im zusammenspiele 
mit Reflektionen und  Interferenzen.

von Percy N. (vox_bovi)


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Teo D. schrieb:
> Höhere Schallgeschwindigkeit -> Höhere Resonanzfrequenz (im Rachenraum)
> -> Höhere Stimmlage.
>
Ok

> Gilt also auch für Räume. Räume haben aber Wände und erst durch dies
> kommt es zur Resonanz.

Ok

> Es kommt also durchaus zur Tonänderung aber eben
> nicht alleine durch ein anderes Medium. Sondern erst im zusammenspiele
> mit Reflektionen und  Interferenzen.

Das ist wohl eher eine Klangänderung.

Durchaus denkbar wäre aber wohl die Veränderung der Tonhöhe etwa einer 
Orgelpfeife durch unterschiedlich dichtes Gas.

: Bearbeitet durch User
von Stefan M. (derwisch)


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Mathias B. schrieb:
> In diesem Raum ist ein Lautsprecher.
> Jetzt lege ich an den Lautsprecher 440 Hz an. Ist der Ton, den man hört,
> höher als bei normaler Luft?

Denkfehler.
Der Lautsprecher strahlt immer 440 Hz ab.
Das ändert sich nur, wenn ich am Generator die Frequenz ändere.

Die höhere Stimme mit Helium hat eine andere Ursache.
Die Stimmbänder schwingen in dem "dünnen" Medium ( Helium ) schneller 
also in einer höheren Frequenz.

Die zweite Annhahme ist daher auch falsch.

von Joe G. (feinmechaniker) Benutzerseite


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Mathias B. schrieb:
> (aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit)

Der Denkfehler liegt in der unsauberen Ausdrucksweise. Statt 
Schallgeschwindigkeit wäre Wellen(Schall)ausbreitungsgeschwindigkeit der 
bessere Begriff.

von Mathias B. (dedi)


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Teo D. schrieb:
> Höhere Schallgeschwindigkeit -> Höhere Resonanzfrequenz (im Rachenraum)
> -> Höhere Stimmlage.

Stefan M. schrieb:
> Denkfehler.
> Der Lautsprecher strahlt immer 440 Hz ab.

Danke! Aber jetzt wird es richtig spannend ;)
Ok, nehmen wir jetzt mal kurz an, dass wir den Lautsprecher mal durch 
ein Saiteninstrument ersetzen. Soweit ich es richtig verstanden habe, 
hört sich eine Gitarre anders als eine Geige an, weil die Seiten zwar 
immer den gleichen Grundton erzeugen, aber verschiedene Obertöne. Dieser 
Frequenzmix wird dann durch den Korpus (Resonanzkörper) verstärkt. Die 
Tonproduktion durch die Seite würde sich dann in einem anderen Medium 
nicht ändern (nur evtl. durch die Reibungmit dem Medium), im Korpus 
hätte ich dann aber eine andere Resonanzfrequenz und würde durch evtl. 
Interferenzen dann einen anderen Ton (nicht von der Frequenzlage, aber 
von der "Zusammensetzung") bekommen?

von Teo D. (teoderix)


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Mathias B. schrieb:
> Interferenzen dann einen anderen Ton (nicht von der Frequenzlage, aber
> von der "Zusammensetzung") bekommen?

Ja, nur ich hab Heute gelernt, das nennt man Klang. Weil ja der Grundton 
gleich bleibt(?). ;)

von Percy N. (vox_bovi)


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Mathias B. schrieb:

> Tonproduktion durch die Seite würde sich dann in einem anderen Medium
> nicht ändern (nur evtl. durch die Reibungmit dem Medium), im Korpus
> hätte ich dann aber eine andere Resonanzfrequenz und würde durch evtl.
> Interferenzen dann einen anderen Ton (nicht von der Frequenzlage, aber
> von der "Zusammensetzung") bekommen?

Ja. Vgl oben "Klangänderung".

: Bearbeitet durch User
von Purzel H. (hacky)


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Bei einem Saiteninstrument ist die Reosnanzfrequenz gegeben durch die 
Spannung und die Massendichte, und die Festigkeit der Saite. Die 
Abstrahlung macht nur einen sehr kleinen Unterschied. Daher wird die die 
Gitarre in Helium bis auf Promille, die Kopplung an das Gasmedium, 
dieselbe Frequenz haben.

: Bearbeitet durch User
von Stefan M. (derwisch)


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Mathias B. schrieb:
> Danke! Aber jetzt wird es richtig spannend ;)
> Ok, nehmen wir jetzt mal kurz an, dass wir den Lautsprecher mal durch
> ein Saiteninstrument ersetzen. Soweit ich es richtig verstanden habe,
> hört sich eine Gitarre anders als eine Geige an, weil die Seiten zwar
> immer den gleichen Grundton erzeugen, aber verschiedene Obertöne. Dieser
> Frequenzmix wird dann durch den Korpus (Resonanzkörper) verstärkt. Die
> Tonproduktion durch die Seite würde sich dann in einem anderen Medium
> nicht ändern (nur evtl. durch die Reibungmit dem Medium), im Korpus
> hätte ich dann aber eine andere Resonanzfrequenz und würde durch evtl.
> Interferenzen dann einen anderen Ton (nicht von der Frequenzlage, aber
> von der "Zusammensetzung") bekommen?

Richtig.

von Percy N. (vox_bovi)


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Jetzt ist G. schrieb:
> Bei einem Saiteninstrument ist die Reosnanzfrequenz gegeben durch die
> Spannung und die Massendichte, und die Festigkeit der Saite. Die
> Abstrahlung macht nur einen sehr kleinen Unterschied. Daher wird die die
> Gitarre in Helium bis auf Promille, die Kopplung an das Gasmedium,
> dieselbe Frequenz haben.

Nicht so ganz.
Was Du beschreibst, das bestimmt die Tonhöhe. Die Klangfarbe basiert auf 
den Anteilen der Partialtöne, und zumindest die Formanten werden sich 
bei Luftdichteänderungen mehr oder minder merklich verschieben.

von Joe G. (feinmechaniker) Benutzerseite


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Alles eine Frage des Modells.

Gehe ich von der Saite als einziges schwingungsfähiges System aus, dann 
bestimmen die physikalischen Parameter mechanische Spannung, 
Massendichte, E-Modul, Flächenträgheitsmoment die Eigenfrequenzen (auch 
die Oberwellen) der Saite.   Die umgebene Dämpfung (Reibung) der Saite 
im Fluid (Luft) beeinflusst nur wenig die Eigenfrequenzen.
Gehe ich jedoch von einem System mehrerer verkoppelter Einzelschwinger 
aus, dann wird der Gesamtfrequenzgang natürlich durch dieses 
Gesamtsystem gebildet. Da die akustische Resonanzfrequenz eines 
Klangkörpers auch von der Fluiddichte abhängt, ändert sich also der 
Gesamtfrequenzgang auch mit dem akustischen Medium (Luft, Helium usw.).

Das prinzipielle Problem liegt also auf beiden Seiten. Von welchem 
Modell geht der Fragesteller aus und welches Problem möchte er lösen und 
von welchem Modell geht der Beantworter der Frage aus. Also vielleicht 
alles nochmals zurück auf null :-)

von Percy N. (vox_bovi)


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Bei einer e-Gitarre dürfte der Effekt in der Tat nur für "Audiophile" 
wahrnehmbar sein, wohl wahr!

von Mathias B. (dedi)


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Joe G. schrieb:
> Von welchem
> Modell geht der Fragesteller aus und welches Problem möchte er lösen und
> von welchem Modell geht der Beantworter der Frage aus. Also vielleicht
> alles nochmals zurück auf null :-)

Es gibt kein konkretes technisches Problem, ich habe nur gestern bei 
einem Gespräch lauter (IMHO) Schwachsinn aufgefasst. Bei der Recherche 
musste ich dann feststellen, dass mir selbst noch einiges an Wissen 
fehlt, was das Thema Schall betrifft und ich es mit dem Tipler auch 
nicht wirklich lösen konnte. Deshalb habe ich hier nachgefragt. Denn 
Schall war das letzte Mal ein Thema in Ex-Physik vor 10 Jahren.

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Percy N. schrieb:
> Nicht so ganz.
> Was Du beschreibst, das bestimmt die Tonhöhe. Die Klangfarbe basiert auf
> den Anteilen der Partialtöne, und zumindest die Formanten werden sich
> bei Luftdichteänderungen mehr oder minder merklich verschieben.

Hmm, das könnte man dann mal in einer Flugzeugkabine (normaler 
Reise-Kabinenendruck entspricht wohl 3000 m über sea level) oder auf der 
Zugspitze testen.

Korrigiert mich bitte, aber findet die Schallübertragung nicht in Form 
longitudinaler Druckschwankungen des Mediums statt? Deren 
Geschwindigkeit ist druckabhängig, siehe Überschalldefinition beim 
Flugzeug, aber ist die dann auch frequenzabhängig?

von (prx) A. K. (prx)


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Die Schallgeschwindigkeit beeinflusst beim Lautsprecher mit seinen 440 
Hz die Wellenlänge, nicht aber die Frequenz. Die Wellen kommen bei 
grösserer Schallgeschwindigkeit und folglich grösserer Wellenlänge 
weiterhin mit 440 Hz im Ohr an.

Ob Schall oder Licht:
  Wellenlänge = Ausbreitungsgeschwindigkeit / Frequenz

: Bearbeitet durch User
von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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Eben, das gilt auch für die Formanten als Oberwellen.

von (prx) A. K. (prx)


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Günter R. schrieb:
> Geschwindigkeit ist druckabhängig, siehe Überschalldefinition beim
> Flugzeug, aber ist die dann auch frequenzabhängig?

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem Medium kann frequenzabhängig 
sein. Deshalb gibts den Regenbogen.

von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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klar, Dispersion bei elektromagnetischen Wellen. Wie ist eigentlich das 
mit der Dispersion bei (um einen Mittelwert kleinen) Druckschwankungen?

von (prx) A. K. (prx)


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Günter R. schrieb:
> klar, Dispersion bei elektromagnetischen Wellen. Wie ist eigentlich das
> mit der Dispersion bei (um einen Mittelwert kleinen) Druckschwankungen?

Bei mir funktioniert Wikipedia - bei dir nicht?
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound#Effect_of_frequency_and_gas_composition

von Percy N. (vox_bovi)


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Günter R. schrieb:
> Eben, das gilt auch für die Formanten als Oberwellen.

Formanten sind nicht bestimmte harmonische Partialtöne, sondern 
Umgebungen fester Frequenzen. Soweit es sich bei Resonanz eine 
Eigenschaft des Schall abstrahlenden Körpers handelt, ist diese nicht 
vom Luftdruck abhängig. Wenn es sich um eine des eingeschlossenen 
Luftvolumens spezifischer Form handelt, dann schon. In diesem Fall kann 
das Formantenspektrum verschoben werden.

: Bearbeitet durch User
von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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A. K. schrieb:
> Günter R. schrieb:
>> klar, Dispersion bei elektromagnetischen Wellen. Wie ist eigentlich das
>> mit der Dispersion bei (um einen Mittelwert kleinen) Druckschwankungen?
>
> Bei mir funktioniert Wikipedia - bei dir nicht?
> 
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound#Effect_of_frequency_and_gas_composition

doch, geht bei mir auch. Finde da bloß nichts über die Dispersion, also 
Frequenzabhängigkeit in gasförmigen Medien.

von (prx) A. K. (prx)


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Günter R. schrieb:
> doch, geht bei mir auch. Finde da bloß nichts über die Dispersion, also
> Frequenzabhängigkeit in gasförmigen Medien.

"... and as a result, the speed of sound can vary with frequency"

Vom Rest kam bei mir beim kurzen Blick darauf nur "kompliziert" an. Wer 
es genau wissen will, der findet bestimmt entsprechende Abhandlungen.

: Bearbeitet durch User
von Günter R. (guenter-dl7la) Benutzerseite


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ah ja, hervorragend, danke für den Zeiger:

The medium in which a sound wave is travelling does not always respond 
adiabatically, and as a result, the speed of sound can vary with 
frequency.[16]

Wäre interessant, ob die Adiabatik bei unseren Lautstärken (also nicht 
bei Künstlern) auch schon tangiert wird.

von Jürgen S. (engineer) Benutzerseite


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Teo D. schrieb:
> Gilt also auch für Räume. Räume haben aber Wände und erst durch dies
> kommt es zur Resonanz. Es kommt also durchaus zur Tonänderung aber eben
> nicht alleine durch ein anderes Medium. Sondern erst im zusammenspiele
> mit Reflektionen und  Interferenzen.

Richtig, es käme zu einem veränderten Reflexionsbild und damit zu sowohl 
einem anderen Klangbild im Raum als auch der empfundenen Raumgröße. Das 
ist ein großes Thema in der Tontechnik, das hier zu erörtern wenig 
lohnt. Die Betrachtung ist dahingehend lohnend, als das das eigene 
Zimmer einen wesentlichen Anteil des Klangs ausmacht und das, was von CD 
kommt, massiv verändert. Daher statten zunehmend mehr Menschen ihren 
Abhörraum mit Absorbern und Diffusoren aus, um die Wände akustisch zu 
beseitigen.
Beispiel z.B. hier unten auf der Seite:
http://96khz.org/oldpages/diffusers2dsymmetric.htm

Jetzt ist G. schrieb:
> Bei einem Saiteninstrument ist die Reosnanzfrequenz gegeben durch die
> Spannung und die Massendichte, und die Festigkeit der Saite. Die
> Abstrahlung macht nur einen sehr kleinen Unterschied. Daher wird die die
> Gitarre in Helium bis auf Promille, die Kopplung an das Gasmedium,
> dieselbe Frequenz haben.

Soweit d'accord. Der Klang der Gitarren und Geigen hängt im Wesentlichen 
an den Resonanzen des Holzes und dessen Materialeigenschaften, darunter 
auch die Schallgeschwindigkeit in Holz und der Saite. Diese machen die 
stehenden Wellen im Holz. Die Luft macht insofern einen Effekt, als dass 
sie die Höhen unterschiedlich stark über die Distanz dämpft. Das macht 
sich bei Geigen stark bemerkbar. Zudem haben Geigen ein sehr stark 
winkelabhängiges Abstrahlverhalten. Zusammen mit den Reflektionen bildet 
sich damit in der Distanz ein anderes Klangbild, wenn man sie bewegt. An 
der Stelle käme auch die Luftdichte ins Spiel.

Bei Gitarren wiederum wirkt der Resonanzraum und damit auch die Luft 
darin. Soweit diese mit Helium gefüllt wäre, klänge das auch etwa 
anders.

von Jürgen S. (engineer) Benutzerseite


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Günter R. schrieb:
> Wäre interessant, ob die Adiabatik bei unseren Lautstärken (also nicht
> bei Künstlern) auch schon tangiert wird.

Kaum. Der maximale Schalldruck liegt weit oberhalb dessen, was mit 
Instrumenten oder der menschlichen Stimme zu erzeugen ist. Bei 
Strahltriebwerken ist das anders. Interessant wird es, wenn Objekte in 
der Nähe der Schallgeschwindigkeit fliegen und die Druckwelle als Knall 
vor sich her treiben.

Allgemeine Literatur dazu:
http://www.sengpielaudio.com/Rechner-schallpegel.htm

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