Resonanz und Schallspektrum

Resonanz: Die physikalischen Eigenschaften eines Körpers determinieren seine Eigenfrequenz (engl. resonant frequency), einschließlich der zugehörigen Obertöne. Wenn eine Schwingung auf ihn trifft, in deren Frequenzband seine Eigenfrequenz vertreten ist, wird er zum Mitschwingen angeregt. Er verstärkt diese Frequenz dann und fungiert so als Resonator. Die Verstärkung ist desto intensiver, je genauer Quellfrequenz und Eigenfrequenz übereinstimmen.

Verstärkung: Wenn ein Schall auf einen Resonator trifft, so kann dessen Amplitude die originale sogar noch übertreffen. (Eine Schaukel kann man auch durch einen kleinen Anschwung im richtigen Moment zu einer weiten Schwingung bringen.)

Resonanzkurve: Variiert man, bei konstanter Amplitude, die Frequenz eines Schalls, der auf einen Resonator trifft, stetig, so variiert die Amplitude, in der er mitschwingt, in Form einer Hyperbel, der Resonanzkurve.

Dämpfung: Die physikalischen Eigenschaften eines Körpers bedingen das Maß, in dem sich die Amplitude eines Impulses innerhalb einer Zeiteinheit von allein verringert. Die Dämpfung ist der Quotient aus zwei im Abstand einer Zeiteinheit aufeinanderfolgenden Amplituden, relativ zur Schwingungsperiode.

Selektivität: Ein nur leicht gedämpfter Resonator reagiert mit relativ hoher Amplitude auf eine eng bei seiner Eigenfrequenz liegende Menge von Frequenzen. Ein stark gedämpfter Resonator reagiert mit mäßiger Amplitude auf eine größere Menge von Frequenzen.

Bandbreite: Menge derjenigen von einem Resonator reflektierten Frequenzen, die Schwingungen von mindestens 70,7% (Schalldruck einer Sinuswelle) der Amplitude seiner Eigenfrequenz haben. Korreliert positiv mit Dämpfung.

Resonanzraum: ein Raum (gewöhnlich ein Hohlkörper), den ein Schall auf seinem Weg von der Schallquelle ins Freie durchquert und der als Resonator wirkt. Von dem originalen Klang werden einige Teilfrequenzen verstärkt, andere unterdrückt; dadurch wird sein Schallspektrum (s.u.) verändert.

Große Resonanzräume und solche mit kleiner Öffnung verstärken niedrige, kleine Resonanzräume und solche mit großer Öffnung verstärken hohe Frequenzen, ceteris paribus. Wenn man über eine Flasche bläst, dann schwingt sie nach folgender Formel:

wobei

f=Frequenz
c=Schallgeschwindigkeit
S=Oberfläche der Flaschenöffnung
V=Volumen der Flasche
L=Länge des Flaschenhalses

Schallspektrum: Das Schallspektrum eines komplexen Schalls resultiert zunächst, wie oben gesagt, aus der Konfiguration von Frequenzen, die als Grund- und Obertöne bei seiner Erzeugung entstehen. Es wird dann, wie dargestellt, durch die Resonanz verändert. Es ändert sich insbesondere die Energieverteilung unter den Teilfrequenzen.

Die akustische Struktur eines Schalls wird sichtbar gemacht mithilfe eines Spektrogramms (auch ‘Sonagramm’ genannt). Dies ist eine zweidimensionale Abbildung, in welcher die akustischen Parameter wie folgt in visuelle Dimensionen konvertiert werden:

Dieser Aufbau eines Sonagramms ist deutlich an dem schon oben angeführten Beispiel eines Flötentons zu sehen. Hier folgt ein sprachliches Beispiel (die Einzelheiten werden später besprochen):

Im oberen Teil der Abbildung spricht jemand in der Spanne von 10 bis 240 ms den Vokal [i] und sodann weitere Vokale. Die übereinanderliegenden schwarzen “Balken” sind die erwähnten Komponenten; sie werden in Kap. 3 als Formanten besprochen.