Klänge hören und lesen - Physik

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Wenn eine wav-Datei mit dem Programm Sonogram geöffnet wird, dann bestimmt das Programm, mit welcher Abtastfrequenz die Datei erzeugt wurde. Wenn sie mit Audacity aufgenommen wurde, dann wird diese Frequenz bei 44, 1 kHz liegen. Sonogram erzeugt dann ein Bild, dessen Frequenzbereich (vertikal) von 0 bis 22, 05kHz reicht. Da sich die Grundtöne, die wir mit einem Instrument spielen, aber im Bereich weniger Hundert Hertz befinden, schrumpft die Darstellung relevanter Daten auf den unteren Bereich des Bildes zusammen. Diesem Umstand begegnet man, indem man in Audacity eine entsprechend niedrigere Abtastfrequenz einstellt (Bearbeiten - Einstellungen - Qualität - Samplefrequenz). Für das Bild in Abbildung 1 wurden 8000 Hz gewählt. Dann wurde eine Aufnahme gestartet und anschließend als *.wav exportiert. Das Resultat wird anschließend mit dem Programm Sonogram geöffnet. Kasten 2: Praktische Hinweise zu Audacity und Sonogram Sonagramme erstellen und verwenden Das hier vorgestellte Programm ist in Java programmiert und sollte auf allen Systemen verwendet werden können. Seine Möglichkeiten gehen weit über das hinaus, was für den Unterricht sinnvoll ist. Wenn es geeignet eingesetzt werden will, sind einige grundsätzliche Informationen über die Verarbeitung digitaler Signale wichtig, die in Kasten 1 erläutert werden. In Kasten 2 wird erklärt, auf welche Einstellungen in Audacity bei Audioaufnahmen zu achten ist, damit das Resultat in Sonogram sinnvoll verwendet werden kann. Für den Einsatz im Unterricht bieten sich u.a. die oben aufgezählten Schwerpunkte an. Der Aspekt »Klangfarbe« kann dabei einen inhaltlichen Schwerpunkt bilden. Es ist dabei auch reizvoll, die eigene Stimme zu untersuchen, insbesondere nachzusehen, wie sich zum Beispiel die unterschiedliche Färbung der Vokale »O« und »I« im Bild niederschlägt. Es zeigt sich, dass das »I« über ein intensiveres Obertonspektrum verfügt. Wenn man Instrumente vergleicht, mit denen man je denselben Grundton anspielt, zeigt sich, dass es in der Regel nicht leicht ist, die Spektren in den Bildern zu unterscheiden. Der folgende Abschnitt geht dieser Beobachtung genauer nach und zeigt, wie sie zum Aus- 4 gangspunkt für eine interessante Demonstration gewählt werden kann. Die Bedeutung des Einschwingvorgangs Wenn man mit einer Orgelpfeife, einer Oboe oder einer Klarinette einen Ton anstimmt, so muss sich dieser Ton erst im Verlauf der ersten Bruchteile von Sekunden entwickeln. Das System muss sich einschwingen. Die im Basisartikel gezeigten Beispiele, mit denen die Verhältnisse in einer Orgelpfeife nachgestellt werden, lassen diesen Einschwingvorgang sehr deutlich erkennen. Wenn die erste Zone verdichteter Luft auf das Ende der Pfeife zu läuft, dann sind die Verhältnisse noch genau so, wie sie auch außerhalb einer Pfeife wären. Man könnte sagen, dass die Zone verdichteter Luft noch nichts davon weiß, dass sie in einem Rohr propapgiert. Das Modellexperiment zur Orgelpfeife im Beitrag Aus dem Rauschen der volle Klang weist ebenfalls darauf hin: Der Ton, der sich im Rohr bildet, ist nicht sofort nach dem Einschalten des Modells vorhanden, sondern es dauert einen Moment, bis er sich eingestellt hat. Bei Musikinstrumenten ist dieser Zeitraum extrem kurz, andernfalls wäre es kaum möglich, Sechzehntel Noten zu spielen. Dass
das Gehör in diesem Bruchteil einer Sekunde Wesentliches über die beteiligten Instrumente registriert, dass es also die Charakteristik des Einschwingvorgangs zur Detektion des Klangs nutzt, zeigt das folgende Experiment, das (Taylor, 1994, 92ff.) entnommen ist. Vorbereitungen 1. Für dieses Experiment eigenen sich reale Instrumente. Drei Schülerinnen oder Schüler, die ein Instrument spielen, das einen dauerhaften Ton erzeugt (Blas- oder Streichinstrumente), verbergen sich hinter einer Leinwand. Sie werden angewiesen, alle den gleichen Ton anzustimmen und auszuhalten. 2a. Die Schülerinnen und Schüler setzen nicht alle gleichzeitig, sondern nacheinander mit ihrem Ton ein. Die Klasse, die die Instrumentalisten nicht sehen, wohl aber hören kann, erhält den Auftrag, sich zu notieren, in welcher Reihenfolge die Instrumente eingesetzt haben. 2b. Nun setzen die Schülerinnen und Schüler gleichzeitig mit ihrem Ton ein, sie hören aber zeitlich versetzt gegeneinander auf. Zuletzt ist also nur noch ein Instrument zu hören, bis auch dieses verstummt. Die Klasse erhält den Auftrag, zu notieren, in welcher Reihenfolge die Instrumente den Ton beendet haben. Wahrnehmung und Deutung Während es im Fall 2a in der Regel möglich ist, die gehörten Klänge den Instrumen- 5 ten passend zuzuordnen, ist dasselbe im Fall 2b außerordentlich schwierig. Da alle Instrumente zur selben Zeit einsetzen, sind die Anfänge schlecht unterscheidbar. Sie werden vermeintlich unterscheidbarer, wenn Instrumente fortfallen. Dennoch fällt die richtige Zuordnung schwer. Der Grund liegt darin, dass der Hörer nicht mehr über die Information verfügt, wie er sie aus dem Einschwingvorgang wie im Fall 2a entnehmen konnte. Wenn sie einmal mit einem Ton eingesetzt haben, klingen viele Instrumente überraschend ähnlich. Wer sich den Einschwingvorgang der Saite einer Geige oder eines Blasinstruments einmal in Zeitlupe anhören möchte, mache eine entsprechende Aufnahme und verzögere das Abspielen zum Beispiel mit dem Programm Audacity. Im linken Teil des Fensters findet man einen Schieberegler, mit dem man unterschiedliche Abspielgeschwindigkeiten realisieren kann. Der Ton ist dann entsprechend tief, aber man kann sehr viel besser wahrnehmen, wie sich das Instrument einschwingt. Ebenfalls kann man mit dem Programm den Abschnitt eines Tons herausschneiden, während dessen sich das Instrument einschwingt. Wenn man eine kurze Melodie, die mit einem Klavier gespielt wurde, Ton für Ton in dieser Weise bearbeitet, klingen die Töne auf einmal sehr ausdruckslos. Dies ist sicher ein Grund dafür, dass sich gute Pianistinnen und Pianisten auch darin auszeichnen, wie sie ihr Instrument anschlagen. Literatur Azizi, S. A. (1990). Entwurf und Realisierung digitaler Filter. München: Oldenbourg. Taylor, C. (1994). Der Ton macht die Physik. Brauschweig, Wiesbaden: Vieweg.
Seite 1 und 2: Klänge hören und lesen von Karste
Seite 3: Songs Killing me softly 3 gewonnen,

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