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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!

Heute geht es um die Frage, warum Lautsprecher so groß sein müssen.

Folge 4: Das klingende Ofenrost oder Warum ist mein Lautsprecher so groß?

Hören ist nicht selbstverständlich. Der für uns so alltägliche Vorgang der akustischen Wahrnehmung ist im Grunde ein wahrhaft bewegender Moment. Denn eine Geräuschquelle muss die Moleküle der umgebenden Luft in systematische Schwingung versetzen und diese Molekülbewegung muss sich dann bis an unser Ohr fortpflanzen, damit wir etwas hören. Schwingt die Luft nicht mit, dann herrscht Stille – daher gibt es zum Beispiel im Weltall nichts zu hören. In diesem LEO-Labor möchten wir veranschaulichen, dass es bei weitem nicht alle Töne, die in unserer Umwelt entstehen, bis an unser Ohr schaffen. 

Das klingende Gitter

Für unser kleines Experiment brauchen wir nicht viel: einen hölzernen Kochlöffel oder einen vergleichbaren Schlägel, zwei Stücke Schnur, jeweils etwa einen Meter lang und ein Gitter aus dem Backofen, also das Einschiebeelement, auf das man beim Backen die Kuchenform stellt. Zudem wäre es hilfreich, wenn jemand in der Nähe wäre, der uns bei der Durchführung unterstützt. Wir knoten die Schnur an die äußersten Ecken des Gitters und wickeln die beiden Enden um unsere Zeigefinger. Dann bitten wir jemanden, mit dem Holzlöffel das Gitter anzuschlagen, sodass ein Ton erklingt. Das entstehende Geräusch ist nicht besonders harmonisch, eher blechern oder scheppernd. Nun stecken wir uns die beiden Zeigefinger in die Ohren und bitten erneut unseren Helfer, das Gitter zum Klingen zu bringen. Der Unterschied ist verblüffend: Das Gitter scheppert nicht mehr dünn und klirrend, sondern es erklingt in vollen, runden, fast sphärischen Tönen. Aus dem schnöden Backofengitter ist fast ein asiatischer Gong geworden. Nun ist es übrigens an der Zeit, dass Sie ihren Helfer den Effekt auch einmal selbst ausprobieren lassen.

Klang ohne Tiefen

Warum klingt das Gitter voller, wenn wir die Finger in die Ohren stecken? Das entscheidende für die Klangverbesserung ist die feste Verbindung zwischen Gitter und Ohr über die Schnur. Wir hören jetzt das Gitter nicht mehr über die Luft, sondern durch diese „Leitung“ und sind dadurch in der Lage alle Schwingungen, die das Gitter erzeugt wahrzunehmen. Diese Fortpflanzung des Schalls durch eine feste Verbindung nennt man Körperschall. Im Luftschall, der von dem Gitter ausgeht, – und das ist das entscheidende Phänomen – sind hingegen nur die hohen Frequenzen der Gitterschwingungen enthalten. Sie geben dem Gitterklang etwas dünn Schepperndes. Die tiefen Töne, die das Gitter durchaus erzeugt und die wir über die Körperschallverbindung auch hören können, erreichen durch die Luft nicht unsere Ohren. Warum ist das so? Am anschaulichsten ist wohl der Vergleich mit der Bewegung einer Hand durch Wasser: Wenn wir die Hand zügig bewegen, erzeugen wir Wellen, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Bewegen wir die Hand aber nur ganz gemächlich, dann strömt das Wasser einfach um die Hand herum. Die Wassermoleküle weichen einfach aus, ohne sich zu einer Welle zu formieren, deren Impuls sich dann fortpflanzen könnte. Und ganz ähnlich ergeht es unserem Backofengitter, wenn es in der Luft hängend angeschlagen wird.

Dünne Stäbe tönen schlecht

Das Gitter schwingt nach dem Anschlagen mit einem breiten Spektrum unterschiedlicher Frequenzen, es erzeugt also tiefe, mittlere und hohe Töne. Bei den hohen Frequenzen schwingen die Gitterstäbe so schnell, dass es ihnen gelingt, die umgebende Luft in Schwingung zu versetzen, so dass sich eine Schallwelle ausbreitet, die wir hören können. Bei den tiefen Frequenzen hingegen schwingen die Stäbe zu langsam, um die Bewegung an die Luft weiterzugeben. Die Luftmoleküle weichen dem langsam schwingenden dünnen Stab einfach aus, strömen um ihn herum, wenn er sich bewegt. Um eine solche langsame Schwingung an die Luft weiterzugeben, bräuchte es eine größere Fläche, die sich bewegt. Würde man zum Beispiel statt eines Backofengitters ein Backofenblech anschlagen, dann wäre die vergleichsweise große schwingende Fläche des Blechs in der Lage auch deutlich langsamere Schwingungen, also tiefere Töne, an die Luft weiterzugeben und somit für uns hörbar zu machen. Über die feste Verbindung der Schnur werden alle Schallwellen gleichermaßen transportiert. Deshalb hören wir über die Schnur einen durch Tiefen abgerundeten volleren Klang. Dieser Effekt ist auch die Ursache dafür, dass wir unsere Stimme selbst tiefer empfinden als unsere Mitmenschen. Wir selbst hören über den Körperschall der Schädelknochen auch die tiefen Töne unserer Stimme. Durch die Luft hingegen wird nur der Teil unserer Stimme hörbar, den die Stimmbänder an die Luftmoleküle weiterzugeben vermögen.

Große Boxen klingen tief

Das Problem des scheppernden Backofengitters kommt auch beim Bau von Lautsprecherboxen zum Tragen: Denn so wie das Gitter nicht in der Lage ist, alle Schwingungsfrequenzen hörbar zu machen, kann auch nicht jede Lautsprechermembran alle tiefen Töne zum Klingen bringen. Um tiefe Frequenzen von weniger als 50 Hertz wiedergeben zu können, muss eine Lautsprechermembran – vereinfacht gesagt – entweder einen großen Querschnitt aufweisen oder mit großer Amplitude schwingen. Sonst ist sie nicht in der Lage einen hinreichend großen Schalldruckpegel zu erzeugen. Beim Hören von Musik über Kopfhörer umgeht man dieses Problem. Da sich die Schallwellen hier nicht frei im Raum ausbreiten, sondern nur in einem winzigen Volumen zwischen Kopfhörer und Trommelfell, muss der Lautsprecher nur sehr viel weniger Energie an die Luft weitergeben, um auch tiefe Töne hörbar zu machen. Und sogar den Körperschall machen sich findige Lautsprecherentwickler zunutze: Sowohl durch sogenannte „Body Shaker“, die tiefe Frequenzen über ein Vibrieren des ganzen Sitzes direkt an den Körper weitergeben, als auch durch Körperschallkopfhörer. Diese geben ihren Klang direkt durch Vibrationen an den Schädelknochen weiter. Wenn man einen solchen Kopfhörer in die Luft hält hört man gar nichts. Legt man ihn jedoch auf eine Tischplatte, dann erklingt plötzlich Musik. Die vibrierende Tischplatte wirkt dann als große Fläche, die Töne hörbar machen kann.

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Manuskript