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Experimente sind die Grundlage aller Forschung. Experimente können verblüffen und überraschen, sie können überzeugen, aber auch enttäuschen. Leonardo-Experimentator Sascha Ott wird einmal im Monat das Radio-Studio zum Labor machen und erstaunliche Phänomene hörbar machen. Warum funktioniert die Welt so und nicht anders? Und wird das Experiment gelingen?

Eine spannende Reportage führt nach jedem Experiment raus aus dem Studio-Labor an die Orte, wo das Phänomen im Alltag genutzt wird. Wissenschaft hautnah, spannend und informativ!

In dieser Folge zeigt Sascha Ott, wie Löcher schöne, aber auch nervige laute Töne produzieren - und was das mit Autoreifen und Stress zu tun hat.

Folge 2: Loch an Loch klingt doch oder Warum es auf der Strasse so leise ist

Wie entsteht eigentlich ein Ton? Was passiert, wenn unsere Ohren ein Geräusch wahrnehmen? Das Gehör ist empfänglich für Schallwellen, kleinste Schwankungen in Druck und Dichte der Luft (aber auch anderer Medien, zum Beispiel Wasser). Durch eine solche Welle werden die Moleküle der Luft periodisch in sehr geringem Maße ausgelenkt. Eine Gitarrensaite bringt beispielsweise, wenn sie schwingt, die umgebende Luft in Schwingung, ein Ton wird hörbar. Wie aus einzelnen Druckimpulsen in der Luft, kleinen Auslenkungen der Moleküle ein wahrnehmbarer Ton wird, kann man sich mit einer sogenannten Lochsirene vor Ohren führen. Und modifiziert man die Lochsirene ein klein wenig, findet man ein grundlegendes Prinzip der Lärmvermeidung.

Löcher in Bewegung

Wesentlicher Bestandteil einer Lochsirene ist eine Scheibe aus Pappe, Holz oder Metall, die in ihrer Mitte auf eine Achse gesteckt und durch einen Elektromotor (zum Beispiel eines Taschenventilators oder auch eines Akkuschraubers) oder per Hand in Rotation versetzt wird. In die Scheibe sind in konzentrischen Kreisen um die Drehachse Löcher gebohrt oder gestanzt. Die Löcher sollten einen regelmäßigen Abstand voneinander haben. Mit der Anzahl der Löcher auf einem Kreisring kann man experimentieren. Man versetzt nun die Scheibe in Rotation und pustet mit einem Strohhalm auf einen der Lochkreise. Das heißt, die Löcher sausen unter der Öffnung des Strohhalms hinweg, so wie die Rille einer Schallplatte unter der Tonabnehmernadel (falls das kein zu antiquierter Vergleich ist). Beim Pusten wird deutlich ein Ton hörbar. Die Höhe des Tons steigt mit der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe.

Aus Puste wird ein Ton

Was passiert hier? Der Luftstrom aus dem Strohhalm trifft in schnellem Wechsel auf Scheibenmaterial und Löcher. Pustet man durch eines der Löcher, dann wird hinter der Scheibe die Luft mit einem Kurzimpuls weggeschoben, es kommt zu einer geringen lokalen Druckänderung. Dann trifft der Luftstrom wieder auf die Pappe oder das Holz, der Luftdruck hinter der Scheibe normalisiert sich wieder bis der Strohhalm wieder durch das nächste Loch trifft. Es entsteht also eine schnelle Abfolge aus Luftdruckschwankungen hinter der Scheibe. Diese Schwankungen sind Schallwellen, die unser Ohr als Ton wahrnimmt. Die Frequenz des Tons entspricht der Rate des Wechsels zwischen Loch – Scheibe – Loch – Scheibe – Loch, ist also abhängig von der Zahl der Löcher auf dem Kreis und der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe. Ein Beispiel: Dreht sich die Scheibe zehn mal pro Sekunde und pustet man auf einen Kreis mit 44 Löchern, dann gibt es für den Luftstrom in jeder Sekunde 440 Wechsel zwischen Loch und Scheibenmaterial. Die Frequenz des Tons beträgt dann 440 Hertz, der definierte Kammerton a.

Ein Ton braucht regelmäßige Wellen

Vom Namen „Lochsirene“ sollte man sich nicht in die Irre führen lassen: Der Ton ist weder so schrill noch so ohrenbetäubend laut wie das Alarmsignal einer Sirene. Gemeinsam ist beiden allein die Art der Tonerzeugung: Auch bei einer mechanischen Sirene wird der Ton durch einen immer schneller werdenden Trommelimpuls erzeugt. Dem Trommelschlag der Sirene entspricht bei der rotierenden Scheibe der durch eines der Löcher stoßende Luftstrom. Stanzt man in die Scheibe der Lochsirene mehrere Lochkreise, dann kann man ausprobieren, wie die Tonhöhe von der Anzahl der Löcher abhängt. Halbiert man ihre Anzahl beispielsweise, dann erhält man einen Ton mit halber Frequenz. Das entspricht definitionsgemäß einem um eine Oktave tieferen Ton. Interessant ist aber auch, die Lochsirene zu modifizieren, in dem man die Löcher nicht in regelmäßigem Abstand auf dem Kreisrund verteilt, sondern möglichst unregelmäßig. Das Ergebnis: Der hohe Ton verschwindet, stattdessen wird ein flatterndes Wummern oder Rauschen hörbar. Nur wenn sich Loch und kein Loch regelmäßig abwechseln, bekommen wir einen richtigen Ton. Das Gehör braucht eine Mindestzahl an regelmäßigen Schwingungen, um einen Ton wahrzunehmen, ansonsten hören wir nur ein Rauschen.

Regelmäßige Reifen singen

Nun ist das Rauschen zwar nicht viel leiser als der pfeifende Ton, aber vor allem bei höheren Frequenzen deutlich angenehmer. Diesen Umstand machen sich findige Techniker – zu unser aller Wohl – zunutze bei der Entwicklung von Reifenprofilen. Denn wenn die Profilblöcke eines Reifens auf den Asphalt trommeln, entsteht ein ganz ähnlicher Effekt wie bei der Lochsirene: Treffen sie regelmäßig auf, dann bildet sich ein Ton aus, dessen Höhe mit zunehmender Geschwindigkeit des Autos ansteigt. Würde jedes Fahrzeug auf einer vielbefahrenen Straße einen eigenen Ton erzeugen, versänke der Fußgänger am Straßenrand in einer Kakophonie des Lärms. Um dies zu verhindern, sind die Profilblöcke und Rillen auf den Reifen nicht regelmäßig angeordnet. Schaut man genau hin, dann bemerkt man eine gewisse Varianz in der länge der Blöcke und der Breite der Rille, die sie trennen. Dieses Durchbrechen der Regelmäßigkeit genügt, um den nervenden Ton beim Abrollen durch ein wesentlich angenehmeres Rauschen zu ersetzen. Bei der Entwicklung neuer Reifen wird ständig mit Hilfe eines Simulationsprogramms nach der optimalen Verteilung des Profils gesucht. Dabei müssen aber natürlich nicht nur die akustischen Eigenschaften berücksichtigt werden, sondern auch die Haftung beim Anfahren und Bremsen und die Wasserverdrängung bei nasser Fahrbahn.

Tönende Wirbel an der Hausecke

Auch andere Störgeräusche, die uns im Alltag begegnen, beruhen darauf, dass sich unter bestimmten Bedingungen ein regelmäßiges Schallereignis ausbildet. Dieses Prinzip ist zum Beispiel auch der Grund dafür, dass man manchmal den Wind pfeifen hört. Strömt die Luft unter der Tür durch, um eine Hausecke oder ein Hochspannungskabel, dann bilden sich ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit hinter der Kante regelmäßige Wirbel. Diese Wirbel lösen sich in stetigem Rhythmus abwechselnd nach links und nach rechts vom umströmten Gegenstand ab. Es bildet sich eine sogenannte Wirbelstraße aus. Dieser regelmäßige Wechsel der Wirbelrichtung ist dann als heulender Ton zu hören, genauso, wie der Wechsel aus Luftstrom durch Loch und Luftstrom auf Scheibe den Ton der Lochsirene verursacht. Wir finden also akustisch belegt, dass allzu regelmäßige Strukturen nervige Konsequenzen haben können und ein bisschen Chaos durchaus manchmal das Leben angenehmer macht.

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