Schallwellen

Klang beginnt mit Vibrationen in der Luft, wie die, die von Gitarrensaiten, Stimmbändern oder Lautsprechermembranen erzeugt werden. Diese Vibrationen pressen in der Nähe befindliche Luftmoleküle zusammen, wodurch der Luftdruck leicht erhöht wird. Die unter Druck stehenden Luftmoleküle pressen dann die Luftmoleküle zusammen, die sie umgeben. Diese Luftmoleküle pressen dann die nächsten Moleküle zusammen usw. Wenn sich Hochdruckbereiche durch die Luft bewegen, hinterlassen sie Tiefdruckbereiche. Erreichen uns diese Wellen mit Druckänderungen, versetzen sie im menschlichen Ohr vorhandene Rezeptoren in Vibrationen, die als Klang wahrgenommen werden.

Eine visuelle Wellenform, die für Audiosignale steht, stellt diese Luftdruckwellen dar. Die Nulllinie der Wellenform ist der Luftdruck im Ruhezustand. Wenn die Linie eine Wellenformspitze bildet, stellt sie höheren Druck dar; wenn die Linie ein Wellenformtal bildet, stellt sie niedrigeren Druck dar.

Eine Klangwelle, dargestellt als sichtbare Wellenform

A. Nulllinie B. Tiefdruckbereich C. Hochdruckbereich 

Wellenform-Messungen

Wellenformen können durch verschiedene Messwerte beschrieben werden:

Amplitude

Bildet die Änderung des Drucks zwischen der Spitze und dem Tal der Wellenform ab. Wellenformen mit einer hohen Amplitude stellen laute Klänge dar; Wellenformen mit einer niedrigen Amplitude stellen leise Klänge dar.

Zyklus

Beschreibt eine einzelne wiederholte Folge von Druckänderungen, angefangen bei Null über hohen Druck zu niedrigem Druck und zurück auf Null.

Frequenz

Wird in Hertz (Hz) gemessen und beschreibt die Anzahl der Zyklen pro Sekunde. (Eine Wellenform mit 1000 Hz hat 1000 Zyklen pro Sekunde.) Je höher die Frequenz, desto höher die musische Tonhöhe.

Phase

Wird in 360 Grad gemessen und gibt die Position einer Wellenform in einem Zyklus an. Der Anfangspunkt liegt bei 0°, gefolgt von 90° bei hohem Druck, 180° bei der Hälfte, 270° bei niedrigem Druck und 360° am Endpunkt.

Wellenlänge

Wird in Maßeinheiten wie z. B. Zentimeter gemessen und gibt den Abstand zwischen zwei Punkten mit dem gleichen Grad der Phase an. Während die Frequenz sich erhöht, nimmt die Wellenlänge ab.

Links ein einzelner Zyklus, rechts eine vollständige 20 Hz-Wellenform

A. Wellenlänge B. Grad der Phase C. Amplitude D. Eine Sekunde 

Interaktion von Klangwellen

Wenn zwei oder mehr Klangwellen aufeinander treffen, werden addieren bzw. subtrahieren sie von einander. Wenn ihre Spitzen und Täler genauphasengleich sind, verstärken sie sich gegenseitig, wodurch eine Wellenform mit einer höhere Amplitude als die einzelnen Wellenformen entsteht.

Wenn die Spitzen und Täler zweier Wellenformen genau phasenverschoben sind, heben sie sich gegenseitig auf, wodurch keine Wellenform entsteht.

In dem meisten Fällen sind Wellen jedoch unterschiedlich phasenverschoben, wodurch eine kombinierte Wellenform entsteht, die komplexer als die einzelnen Wellenformen ist. Eine komplexe Wellenform, die zum Beispiel Musik, Stimme, Rauschen und andere Klänge darstellt, kombiniert die Wellenformen der einzelnen Klänge.

Hinweis:

Aufgrund seiner einzigartigen physischen Struktur kann ein einzelnes Instrument sehr komplexe Wellen erzeugen. Deshalb klingen eine Violine und eine Trompete verschieden, auch wenn mit ihnen die gleiche Note gespielt wird.

Phasengleiche Wellen verstärken einander.

Phasenverschobene Wellen heben sich gegenseitig auf.

Zwei einfache Wellen ergeben eine komplexe Welle.

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