Hörtest mit dem Smartphone

Inhaltsübersicht

• Versuch zur Schallausbreitung
• Info-Kasten zur Dezibel-Skala
• Versuch zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
• Info-Kasten zum Ohr
• Zur Ergänzung: Versuch zu Active Noise Cancellation

Einleitung

Sachinhalte aus dem Themengebiet der Akustik bieten durch die vielfältigen Möglichkeiten zur Anbindung an den Alltag der Schülerinnen und Schüler eine ideale Gelegenheit, kontextorientiertes Lernen zu ermöglichen. Und was ist Lernenden alltäglicher als ihr eigener Körper? Die Untersuchung des eigenen Hörvermögens mit einem Smartphone oder Tablet lässt sich leicht in den Unterricht integrieren.

Auf dieser Webseite stellen wir Materialien zur Verfügung, mit denen Schülerinnen und Schüler an ausgewählte physikalische und physiologische Grundlagen des Hörens herangeführt werden können. Dabei können auch bekannte Konzepte der Mechanik aufgegriffen, wiederholt und vertieft werden.

Experimente zu den physikalischen Grundlagen

Die folgenden Videos zeigen Experimente zu den physikalischen Grundlagen des Hörens.

Schallausbreitung

Benötigte Materialien

• Vakuumglocke
• Ölpumpe
• Manometer
• Feinventil
• Elektrische Klingel mit Spannungsversorgung
• Schallpegelmesser

Video - Teil 1: Schallausbreitung - Totale

Download 144 MB (rechter Mausklick)

Durchführung - Teil 1: Schallausbreitung - Totale

Die Klingel wird eingeschaltet, das Feinventil geschlossen und die Vakuumglocke evakuiert bis der Druck in der Vakuumglocke nicht weiter sinkt. Anschließend wird das Feinventil leicht geöffnet, so das wieder Luft (möglichst geräuschlos) einströmen kann.

Beobachtungen - Teil 1: Schallausbreitung - Totale

Mit sinkendem Druck wird das Geräusch der Klingel leiser, bis es kaum mehr zu hören ist. Beim Wiedereinströmenlassen der Luft wird das Klingelgeräusch wieder hörbar und immer lauter.

Video - Teil 2: Schallausbreitung - Nahaufnahme

Download 219 MB (rechter Mausklick)

Durchführung - Teil 2: Schallausbreitung - Nahaufnahme

Die Durchführung entspricht der in Teil 1, jedoch wird diesesmal der Schalldruckpegel außerhalb der Vakuumglocke mit einem Schalldruckpegelmesser gemessen.

Beobachtungen - Teil 2: Schallausbreitung - Nahaufnahme

Zusätzlich zum Sinneseindruck des Leiserwerdens des Klingelgeräuschs wird ein Abnehmen des Schalldruckpegels gemessen.

Kommentar

Die Messung des Schalldruckpegels mit dem analogen Handmessgerät ist recht ungenau und wird außerhalb der Vakuumglocke stark von etwaigen Umgebungsgeräuschen gestört. Allerdings dient der Einsatz des Messgerätes dazu, die später benötigte Schalldruckpegelskala sowie die Einheit Dezibel einzuführen. Hierzu kann den Schülerinnen und Schülern die folgende Information gegeben werden:

Die Dezibel-Skala Das Dezibel (Einheitenzeichen dB, 1/10tel eines Bel) ist eine logarithmische Einheit zur Beschreibung des Verhältnisses zweier physikalischer Größen: Q(P) = 10 lg P2/P1 dB Dezibel-Werte können nicht einfach addiert werden. Der Schalldruckpegel beschreibt das logarithmierte Verhältnis des quadrierten Effektivwertes des Schalldrucks zum quadrierten Bezugswert für Schall in Luft (p0 = 20 µPa): LP = 10 lg p2/p02 dB = 20 lg p/p0 dB Eine Erhöhung um 3 dB entspricht in etwa einer Verdoppelung des quadrierten Schalldrucks.

Messung der Schallgeschwindigkeit

Das folgende Video zeigt ein Experiment zur Messung der Schallgeschwindigkeit.

Download 33 MB (rechter Mausklick)

Aufbau und Durchführung

Die beiden Mikrofone werden in einem möglichst großen Abstand von einander aufgestellt und zu der selben Seite hin ausgerichtet. Die beiden Mikrofone müssen im Trigger-Modus betrieben werden. Der Abstand s der beiden Messsonden von einander (jeweils am vorderen Ende eines Mikrofons) wird gemessen (hier s = 1,42 m). Ein akustisches Ereignis (z. B. das Geräusch des Aneinanderschlagens zweier Holzklötze) wird an der Seite erzeugt, auf die die Mikrofone ausgerichtet sind. Das Geräusch löst nun an beiden Mikrofonen zeitversetzt Trigger-Signale aus, die mit dem Oszilloskop dargestellt werden können.

Auswertung

Die Zeitbasis am Oszilloskop ist auf 1 ms/div eingestellt. Entsprechend lässt sich am Bildschirm eine Laufzeitdifferenz von gut 4 ms ablesen. Die Messung lässt sich aber auch digital auslesen und dann am Computer genauer bestimmen, so dass eine Laufzeitdifferenz von t = 4,088 ms gemessen wird. Die Berechnung der Schallgeschwindigkeit ergibt hier schließlich: v_Schall = 347 m/s.

Physiologische Grundlagen und physikalische Bezüge

Die folgenden Info-Kästen fassen die für das Verständnis der Physik des Hörens nötigen Grundlagen für Schülerinnen und Schüler zusammen.

Das Ohr Die Ohrmuschel sammelt Schallwellen aus der Umgebung und leitet sie durch den Gehörgang zum Trommelfell, welches zum Schwingen angeregt wird (Abb. 1). Die Schwingungen des Trommelfells werden von den Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss und Steigbügel) auf das ovale Fenster des Innenohrs übertragen (vgl. Abb. 2). Der Steigbügel leitet Schwingungen durch die Membran des ovalen Fensters zu der mit Flüssigkeit gefüllten und mit mikroskopisch kleinen Haarzellen ausgekleideten Hörschnecke. Die Schwingungen des ovalen Fensters erzeugen Druckwellen, die sich durch die Hörschnecke ausbreiten und die Haarzellen in Bewegung versetzen. Diese Bewegungen erzeugen Nervensignale, die unser Gehirn dann als Geräusch wahrnimmt. Abb.1. Vereinfachter Aufbau des menschlichen Ohrs.

 

Die Empfindlichkeit des Ohres Die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs ist stark frequenzabhängig. Die Formen des Außen- und Mittelohrs tragen sowohl zur bemerkenswerten Empfindlichkeit als auch zum breiten Dynamikbereich des menschlichen Gehörs bei. Die Gehörknöchelchen übertragen die Kraft vom Trommelfell auf das ovale Fenster des Innenohrs (Abb. 2). Der Druck auf das ovale Fenster wird auf etwa das 22-fache erhöht. Der Faktor 1,3 steht für die Auswirkungen der mechanischen Hebelwirkung und der Faktor 17 für den Unterschied zwischen der Fläche des ovalen Fensters (etwa 3,2 mm²) und der wirksamen Fläche des Trommelfells (etwa 55 mm²). Die Gehörknöchelchen können durch Muskelspannungen so eingestellt werden, dass das Tonsignal zum Schutz vor lauten Tönen gedämpft wird. Um zu verhindern, dass Schallwellen auf der Oberfläche des ovalen Fensters reflektiert werden, übernehmen die Gehörknöchelchen auch die Funktion der Impedanzwandlung, da sie die niedrige Impedanz von Luft an die hohe Impedanz der mit Flüssigkeit gefüllten Hörschnecke koppeln.   Abb. 2. Das Verhältnis des Hammer-Hebels zum Amboss-Hebel (etwa 1,3) und das Verhältnis der Oberflächen des Trommelfells und des ovalen Fensters (etwa 17) erhöhen den Schalldruck auf das ovale Fenster auf etwa das 22-fache. Das Ohr ist am empfindlichsten für Frequenzen im Bereich von 2 kHz bis 5 kHz mit einem Maximum bei etwa 3,7 kHz, was sich aus der Resonanz des Gehörgangs ergibt. Dieser Bereich mit hoher Empfindlichkeit ist sehr wichtig für das Verständnis gesprochener Worte, da Frequenzen zwischen 500 Hz und 3 kHz am häufigsten bei normalen Gesprächen verwendet werden. Für die Sprachverständlichkeit, insbesondere für Sprachen mit vielen stimmlosen Konsonanten (z. B. p, t, k, s), sind die hohen Frequenzen wesentlich. Für andere Sprachen, wie Japanisch oder Maori, mit langen Vokalklängen sind diese hohen Frequenzen weitaus weniger wichtig. Dadurch lässt sich auch erklären, warum in Japan deutlich seltener Hörgeräte verwendet werden als beispielsweise im europäischen Raum. Ein anderer, weniger wichtiger Bereich mit verbesserter Empfindlichkeit liegt bei etwa 13,5 kHz, was mit der dritten harmonischen Resonanz des Gehörgangs verbunden sein kann. Der Gehörgang kann in erster Näherung als einseitig geschlossene Resonanzröhre mit einer Länge von etwa 2,5 cm modelliert werden. Bei einer Schallgeschwindigkeit von v = 350 m/s erzeugt eine geschlossene zylindrische Luftsäule mit der Länge L = 2,5 cm eine Grundfrequenz f1 = 350 m/s / (4 x 0,025 m) = 3,5 kHz. In der Praxis wird die effektive akustische Länge vergrößert und die Position des Knotens befindet sich etwas außerhalb des offenen Endes. Für ein an beiden Enden geschlossenes Rohr lautet die korrigierte Formel f1 = v / (2Leff). Dies ist bei der Verwendung von Kopfhörern der Fall, bei denen die effektive Länge Leff von etwa 3 cm (Over-Ear-Kopfhörer) bis zu einigen Millimetern (In-Ear-Kopfhörer) reichen kann.   Abb. 3. Analogie einer schwingenden Saite für eine einseitig geschlossene Resonanzröhre. Im Gegensatz zu einer Röhre, bei der es sich um einen hochselektiven Resonator handelt, sorgt der unregelmäßig geformte Gehörgang für Resonanz in einem breiten Frequenzbereich.

Zur Ergänzung: Active Noise Cancellation

Das folgende Video zeigt ein Experiment zur Funktionsweise eines Active-Noise-Cancelling-Kopfhörers.

Benötigte Materialien (von links nach rechts)

• Funktionsgenerator (hier: NTL Functiongenerator P 3160-3A)
• Lautsprecher (hier: ELWE Druckkammerlautsprecher 84 32 680)
• Active-Noise-Cancelling-Kopfhörer (hier: Bose QuietControl 30 wireless headphones) und ggf. Smartphone mit zugehöriger App (hier: Apple iPhone 6s mit Bose Connect App)
• Mikrofon (hier: Sennheiser MD 321N)
• Oszilloskop (hier: Tektronix 2201)

Video

Download 22 MB (rechter Mausklick)

Weiterführende Literatur

Bitte beachten Sie auch die Stummen Videos zur Schallausbreitung sowie die Stummen Videos zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit aus dem BMBF geförderten Teilprojekt der Lehrerbildung@LMU - "Lehramtsspezifische Ergänzungen und Berufsfeldbezüge für die Grundvorlesungen der Physik".